Mechatronika Modul 4: Elektromos meghatók És vezérlések Jegyzet (Elképzelés) Készítették: Matthias Römer Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország Cser Adrienn Corvinus Egyetem, Információtechnológiai Intézet, Magyarország EU-Projekt: 2005-146319 MINOS, 2005-2007 Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvevő szakemberek mechatronika témakörben történő továbbképzéséről Az Európai Bizottság támogatást nyújtott ennek a projektnek a költségeihez. Ez a kiadvány (közlemény) a szerző nézeteit tükrözi, és az Európai Bizottság nem tehető felelőssé az abban foglaltak bárminemű felhasználásért. www.minos-mechatronic.eu
A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete, Németország Projektvezetés Corvinus Egyetem, Informatikai Intézet, Magyarország Stockholm-i Egyetem, Szociológiai Intézet, Svédország Wroclaw-i Műszaki Egyetem, Gyártástechnológiai és Automatizálási Intézet, Lengyelország Henschke Consulting Drezda, Németország Christian Stöhr Unternehmensberatung, Németország Neugebauer und Partner OHG Drezda, Németország Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Lengyelország Euroregionális Ipari és Kereskedelmi Kamara Jelenia Gora, Lengyelország Dunaferr Dunaújváros, Magyarország Knorr-Bremse Kft. Kecskemét, Magyarország Nemzeti Szakképzési Intézet Budapest, Magyarország Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i Műszaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Reimund Neugebauer Prof. Dr.-Ing. Dieter Weidlich Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz, Deutschland Tel.: +49(0)0371 531-23500 Fax: +49(0)0371 531-23509 Email: wzm@mb.tu-chemnitz.de Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch
Minos Tartalom 1 A villamosság alapjai... 7 1.1 Bevezetés... 7 1.1.1 A villamosság alkalmazási területei... 7 1.1.2 Energia- és meghajtástechnika... 8 1.1.3 Irányítástechnika... 8 1.1.4 Elektronika... 9 1.1.5 Híradástechnika... 10 1.1.6 A villamosság története... 10 1.2 Feszültség, áram és ellenállás... 13 1.2.1 Elektromos töltés, feszültség... 13 1.2.2 Elektromos áramerősség... 16 1.2.3 Elektromos ellenállás... 18 1.2.4 Fajlagos elektromos ellenállás... 19 1.3 Elektromos teljesítmény, munka... 20 1.4 Elektromos áramkörök... 21 1.4.1 Soros és párhuzamos kapcsolás... 23 1.4.2 Mérőműszerek kapcsolása... 25 1.5 Egyenfeszültség... 27 1.6 Váltakozó feszültség... 28 1.6.1 Induktív és kapacitív terhelés... 30 1.7 Elektromos kapcsolások ábrázolása... 34 1.7.1 Elektromos alkatrészek... 34 1.7.2 Kapcsolási rajzok... 36 1.8 Elektromos alkatrészek... 39 1.8.1 Kapcsolók és gombok... 39 1.8.2 Végállás-kapcsoló... 42 1.8.3 Nyomáskapcsoló... 45 1.8.4 Jelzőberendezések... 45 1.8.5 Relék és kontaktorok... 47 1.9 Egyszerű alapkapcsolások... 49 1.9.1 Elektromos öntartás... 49 1.9.2 Léptetőlánc... 50 1.9.3 Pneumatikus és hidraulikus kapcsolási rajzok... 51 1.10 Védelem... 53 2 Programozható logikai vezérlők (PLC)... 55 2.1 Bevezetés... 55 2.1.1 A PLC története... 56 2.1.2 A huzalozott programozású és a programozható logikai vezérlők összehasonlítása... 58 2.1.3 A PLC-k előnyei és hátrányai... 59 2.2 A PLC felépítése... 60 2.2.1 PLC-k típusai... 60 2.2.2 A PLC működése... 64 3
Minos 2.2.3 Program futása... 66 2.3 A digitális technika alapjai... 67 2.3.1 Bitek és byte-ok... 68 2.3.2 Számrendszerek... 69 2.3.3 Bináris számrendszer... 69 2.3.4 Hexadecimális számrendszer... 71 2.3.5 BCD számrendszer... 72 2.3.6 Egész számok... 74 2.3.7 Lebegőpontos számok... 75 2.4 Bináris kapcsolat... 76 2.4.1 ÉS-kapcsolat... 77 2.4.2 VAGY-kapcsolat... 78 2.4.3 Negációs... 79 2.4.4 Azonosság... 80 2.4.5 NAND (ÉS-NEM)... 81 2.4.6 NOR (VAGY-NEM)... 82 2.4.7 Inhibíció... 83 2.4.8 Implikáció... 84 2.4.9 Ekvivalencia... 85 2.4.10 XOR (Antivalencia)... 86 2.4.11 Logikai tároló... 87 2.4.12 Kapcsolás algebra... 89 2.5 PLC programozása... 92 2.5.1 Strukturált programozás... 92 2.5.2 Változók deklarálása... 94 2.5.3 Utasítások... 95 2.5.4 Utasításlista AWL... 96 2.5.5 Létradiagram (KOP)... 97 2.5.6 Funkcióterv (FBS)... 98 2.5.7 Lefutó nyelv (AS)... 99 2.5.8 Strukturált nyelv (ST)...100 2.5.9 Időtag...101 2.5.10 Számláló...102 2.5.11 Tárolóelem...103 2.5.12 Lépésláncok...104 3 Elektromos hajtások...105 3.1 Bevezetés...105 3.2 Elektromos és mágneses mező...106 3.2.1 Elektromos mező...106 3.2.2 Mágneses mező...107 3.2.3 Indukció...109 3.3 Az áramellátás alapjai...111 3.3.1 Áramfejlesztés...111 3.3.2 Az áram szállítása és elosztása...112 3.4 Transzformátorok...113 3.4.1 Ideális transzformátor...113 4
Minos 3.4.2 Valódi transzformátorok...115 3.5 Forgó villamos gépek...117 3.5.1 Bevezetés...117 3.5.2 Háromfázisú gépek...118 3.5.3 Forgatónyomaték és teljesítmény...119 3.6 Aszinkron motorok...120 3.6.1 Rövidre zárt forgórész...121 3.6.2 Egyfázisú váltakozó áramú rövidre zárt forgó résszel rendelkező motorok 122 3.7 Kommutátoros motorok...124 3.7.1 Egyenáramú motorok gerjesztése...126 3.7.2 Univerzális motorok...128 3.7.3 A kommutátoros motorok lehetséges hibái...129 3.8 Egyéb motorok...131 3.8.1 Szinkron motor...131 3.8.2 Léptető motor...133 3.9 Forgó mezős motorok vezérlése...135 3.9.1 Háromfázisú motorok indító kapcsolásai...136 3.9.2 Kommutátoros motorok vezérlése...140 3.10 A motor védelme...142 3.10.1 Szigetelőanyagok osztályozása...144 3.10.2 Üzemmódok...145 3.11 Üzembiztonság...146 3.11.1 Óvintézkedések...147 3.11.2 Hibavédelem (érintésvédelem)...148 3.11.3 Elektromágneses kompatibilitás (EMC)...149 5
Minos 1 A villamosság alapjai 1.1 Bevezetés A villamosság minden olyan alkalmazási területet magába foglal, mely az elektromos áram és az elektromos és/vagy a mágneses mező bármilyen formáját alkalmazza. Ide tartozik az elektromos áram előállítása, átadása és alkalmazása, amikor az elektromos áramot nem csak gépek meghajtására használjuk, hanem a mérés-, szabályozás- és vezérléstechnika területein is. Szintén elektromos áramot használunk a számítógépekben, és a híradástechnikában. A modern gépek és berendezések működése elektromos áram nélkül elképzelhetetlen, így a műszerész / technikus számára is hasznos, ha alapvető ismeretekkel rendelkezik az egyes elektromos komponensek működésével kapcsolatban. Ide tartozik például az elektromos kapcsolási rajzok ismerete és értelmezésének képessége is. Léteznek olyan alkatrészek is, melyek több különféle energiaforrást is használnak. Sok szelep például elektromosan működtetett, azonban folyadékok vagy gázok révén mechanikus végrehajtókat vezérel. Általánosan érvényes, hogy 50 V váltakozó-, vagy 120 V egyenfeszültség felett az emberi testen átfolyó áram már veszélyes, és komoly sérüléseket okozhat, ezért ennek a veszélynek mindig tudatában kell lenni! Az ilyen veszélyes feszültségekkel való munkavégzéshez külföldön gyakran különleges képesítés és engedély szükséges 1. Kis feszültségen mindenki végezhet munkálatokat. Ezért a gyakorlatok során mindig 24 V egyenfeszültséget használunk. 1.1.1 A villamosság alkalmazási területei A villamosságot klasszikusan erősáramú és gyengeáramú területre osztjuk 2. Az erősáramú villamosságot manapság energiatechnikának és meghajtástechnikának nevezzük. A 1 Például Németországban. 2 Németországban. Magyarországon a gyengeáram kifejezést nem csak a híradástechnikára értjük. A méréstechnika lehet erősáramú is, még akkor is, ha ma már a mérőrendszer kimenetén kis feszültség jelenik meg. Az elektronika és ezen belül a folyamatirányítás is a gyengeáramú csoporthoz tartozik. A hajtásokat inkább egyenáramú és váltakozó áramú gépekként ismerjük. Itthon az automatizálástechnika helyett az irányítástechnika az összefoglalója a vezérlés- és szabályozástechnikának.(a lektor) 7
Minos giatechnikának és meghajtástechnikának nevezzük. A gyengeáramú terület mára híradástechnikává alakult. A villamossághoz tartozik továbbá időközben az elektromos méréstechnika és a szabályozástechnika, valamint az elektronika is. Az egyes részterületek azonban gyakran összeérnek, átfedésben vannak, így a határok elmosódottak. A technika fejlődésével pedig egyre több új részterület fejlődik ki. Manapság már szinte minden folyamat lényeges része valamilyen elektromos berendezés vagy vezérlés. 1.1.2 Energia- és meghajtástechnika A korábban erősármú villamosságként ismert területet időközben energiatechnikának nevezik, és a villamos energia létrehozásával, átvitelével és átalakításával foglalkozik. Az energiatechnikához tartozik a nagyfeszültség-technika is. A legtöbb esetben a villamos energiát mechanikus energia forgó generátorokban történő átalakításával hozzuk létre. Az energiatechnikához tartozik azonban a meghajtástechnika is, ami a villamos energia fogyasztóival foglalkozik. A meghajtástechnikát korábban szintén erősáramú villamosságként tartották számon. Ez a terület az elektromos energiát mechanikus energiává konvertáló elektromos berendezésekkel foglalkozik. Az ilyen gépek jellegzetes képviselői a szinkron-, az aszinkronés az egyenáramú gépek. A kisebb meghajtók között azonban még számos további típus létezik. 1.1.3 Irányítástechnika A meghajtástechnikában jelenleg a lineáris motorok kifejlesztésén is dolgoznak. Az ilyen motorok a villamos energiát közvetlenül lineáris mechanikai mozgássá alakítanák, tehát ebben az esetben a forgó mozgáson keresztül lineáris mozgássá való konvertálás lépése elmaradhatna. Az automatizálás-technikában egy vagy több manuális lépést automatizálunk, illetve felügyelünk. Ehhez a mérés-, vezérlésés szabályozástechnika módszereit alkalmazzuk. A szabályo- 8
Minos zás- és vezérléstechnika területén elsősorban digitális technikát alkalmazunk. Az irányítástechnika egyik fő területe a szabályozástechnika, hiszen valamilyen szabályozás szinte minden műszaki rendszerben található. Az irányítástechnika mindennapi életben megtalálható egyszerű alkalmazásaira példa a vasaló vagy mosógép hőmérsékletszabályozása. Ennél lényegesen komplikáltabb szabályozásra van szükség ipari robotok működtetése esetén. További alkalmazásra példa a motorok fordulatszámának szabályozása. A járművekben is találhatunk példát a szabályozástechnikára: ilyen például a motorok vezérlése, vagy a futómű stabilitásszabályozása is. A vegyiparban a különböző folyamatok szabályozása szintén az irányítástechnika szép példája. A villamosság különböző alterületei részben fedik, és ki is egészítik egymást. Mivel az automatizálás-technikában sok elektromos meghajtó által létrehozott mozgásra van szükség, a meghajtástechnika is fontos terület. 1.1.4 Elektronika Ugyanígy, a meghajtástechnika szempontjából az elektronika fontos részterület, hiszen a meghajtókat vezérelni és szabályozni kell. Az elektronikus építőelemek, pl. a kondenzátorok, tekercsek és félvezetőelemek (diódák, tranzisztorok) fejlesztése, gyártása és alkalmazása a villamosság elektronika alterületéhez tartozik. Az elektronika mikroelektronika része a félvezetőelemekből felépülő integrált áramkörök fejlesztésével és előállításával foglalkozik. Ide tartoznak a jelek egyszerű összekapcsolására szolgáló építőelemek, de a számítógépek processzorai vagy a hozzájuk tartozó grafikus kártya processzora is. A digitális technika szintén az elektronika részterülete, ide tartoznak a klasszikus logikai kapcsolások, melyeket ma tranzisztorok segítségével hoznak létre. A digitális technika számos vezérlés alapja, így kapcsolódik az automatizálás-technikához is. 9
Minos 1.1.5 Híradástechnika A korábban gyengeáramú villamosságként ismert területet ma híradástechnikának, és információ- és kommunikációtechnikának nevezzük. A híradástechnika feladata az információ elektromos impulzusok vagy elektromágneses hullámok formájában történő továbbítása a küldőtől egy vagy több feladó felé. Ekkor a küldőt és a feladót információforrásnak és információfogadónak nevezzük. Az információt a veszteségek minimalizálásával kell továbbítani, mivel ez a fogadó oldalán javítja az információ felismerhetőségét. 1.1.6 A villamosság története A híradástechnika egy fontos területe a jelfeldolgozás, például a szűrés, de az információ kódolása és dekódolása is nélkülözhetetlen. A villamosság kezdetben, az első az elektromossággal kapcsolatos felfedezések idején még a fizika része volt. Azonban Thomas Alva Edison és Werner von Siemens munkásságának köszönhetően a villamosság önálló tudományággá nőtte ki magát. 1752-ben Benjamin Franklin feltalálta a villámhárítót. Kísérleteinek eredményeit 1751-1753 között publikálta. 1792-ben Luigi Galvani elvégezte híres békacombos kísérletét, mely inspirálta Alessandro Volta-t, aki 1800-ban megépítette a Volta oszlopot, amit az első működő elemnek tekinthetünk. 1820-ban Hans Christian Ørsted egy mágneses tű elektromos árammal történő elfordításával kísérletezett. Szintén 1820-ban André Marie Ampère kísérletei bebizonyították, hogy két árammal átjárt vezető egymásra erőt fejt ki. Őreá vezethető vissza az elektromos áram és az elektromos feszültség fogalma. 10
Minos Az elektromos és mágneses mezőkkel kapcsolatos kutatásokhoz sokban járult hozzá Michael Faraday is. Tőle származik a térerővonal fogalma. Faraday munkájára építve James Clerk Maxwell az elektromágnesesség elméletét elektrodinamikává bővítette, és megalkotta annak matematikai megfogalmazását is. 1864-ben Maxwell nyilvánosságra hozta a róla elnevezett Maxwell Egyenleteket, melyek a villamosság alapját képezik. 1860-ban Philipp Reis a Friedrichsdorf-i Garnier Intézetben feltalálta a telefont, mely lehetővé tette az elektromos beszédátvitelt. Abban az időben azonban senki sem figyelt fel a találmányra. Az első gazdaságilag használható telefont 1876-ban Alexander Graham Bell készítette az Egyesült Államokban, és csak ezt a készüléket sikerült sikerre vinni. Werner von Siemens az úgynevezett erősáramú villamosság egyik úttörője volt. 1866-ban felfedezte a dinamoelektromos elvet, majd ebből kifejlesztette az első generátort. Ekkor vált az elektromos energia nagy mennyiségben felhasználhatóvá. 1879-ben Thomas Alva Edison feltalálta a szénszálas izzót, mely ezután számtalan lakásba vitt fényt. Ezzel a villamosság az élet egyre több területének kezdett szerves részévé válni. Edisonnal szemben, aki inkább az egyenáram híve volt, Nikola Tesla és Michail von Dolivo-Dobrowolsky megalkották a váltakozóáram elvének alapjait, és így a mai energiaellátást is megalapozták. A világ első villamosmérnöki szaka 1883-ban indult a Darmstadti Műszaki Főiskolán. 1885-ben és 1886-ban az angliai University College London és az Egyesült Államok-beli University of Missouri további önálló villamosmérnöki tanszékeket hoztak létre. Az itt végzett mérnökök hatalmas területek áramosítását tették lehetővé. 1884-ben Heinrich Rudolf Hertz-nek sikerült a Maxwell Egyenletek kísérleti igazolása, mellyel bizonyította az elektromágneses hullámok létezését, és ezáltal lefektette a mai vezeték nélküli kommunikáció alapjait. Megszületett a híradástechnika. 11