Mechatronické systémy

Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Mechatronické systémy pro kombinované a distanční studium Ivo Neborák Ostrava 2009

Ivo Neborák, 2009 Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava ISBN xxxxxxxxx

OBSAH 1. ZÁKLADNÍ POJMY, MECHANIKA MECHATRONICKÝCH SYSTÉMŮ... 4 2. OTEPLOVÁNÍ A ENERGETIKA ELEKTRICKÝCH POHONŮ... 5 3. ELEKTRICKÉ STROJE... 5 3.1. Stejnosměrné stroje... 6 3.2. Asynchronní stroje... 6 3.3. Synchronní stroje... 6 3.4. Elektricky komutované motory... 6 3.5. Spínané reluktanční motory... 6 3.6. Krokové motory... 6 4. POLOVODIČOVÉ MĚNIČE... 7 5. ELEKTRICKÉ PŘÍSTROJE... 7 5.1. Měření a hlídání teploty... 9 5.2. Pojistky... 9 5.3. Jističe a chrániče... 9 5.4. Stykače... 9 5.5. Relé... 9 5.6. Programovatelné automaty... 9 6. TECHNICKÉ PROSTŘEDKY PRO ŘÍZENÍ MS... 10 6.1. Řízení a regulace mechatronických systémů... 10 6.2. Čidla napětí a proudu... 10 6.3. Čidla otáček a polohy... 10 7. STRUKTURY SE STEJNOSMĚRNÝMI MOTORY... 11 8. STRUKTURY S ASYNCHRONNÍMI MOTORY... 12 9. STRUKTURY SE SYNCHRONNÍMI MOTORY... 13 10. STRUKTURY SE SPECIÁLNÍMI MOTORY... 14 10.1. Struktury s elektricky komutovanými motory... 14 10.2. Struktury se spínanými reluktančními motory... 14 10.3. Struktury s krokovými motory... 14 11. ZÁKLADY ROBOTIKY... 15 LITERATURA...15 3

1. Základní pojmy, mechanika mechatronických systémů Čas ke studiu: 2 hodiny definovat mechatronický systém a nakreslit jeho blokové schéma uvést základní vlastnosti pracovních mechanismů definovat, co je mechanická charakteristika nakreslit jednotlivé druhy mechanických charakteristik Text je uveden v souboru MS_zakl pojmy a mechanika.pdf Pracovní mechanizmus, mechanická charakteristika, moment pracovního mechanizmu, moment setrvačnosti, potenciální a reakční zatěžovací moment, pohybová rovnice 1. Co chápeme pod pojmem mechatronický systém? 2. Z čeho se skládá mechatronický systém? 3. Jaké jsou základní vlastnosti pracovních mechanismů? 4. Jakými veličinami je lze charakterizovat? 5. Jaké základní charakteristiky u nich uvádíme? 6. Vztahy mezi kterými veličinami udává pohybová rovnice? 4

2. Oteplování a energetika mechatronických systémů Čas ke studiu: 2 hodiny definovat ustálené a dovolené oteplení nakreslit průběh pro oteplování a ochlazování mechatronického systému definovat podmínky pro jednotlivé druhy zatížení popsat postup při přepočtu krátkodobého chodu na trvalý chod popsat postup při přepočtu přerušovaného chodu na trvalý chod Text je uveden v souboru MS_oteplování.pdf Ustálené oteplení, dovolené oteplení, oteplovací a ochlazovací časová konstanta, tepelná třída izolace, trvalý chod, krátkodobý chod přerušovaný chod, přerušované zatížení, metoda ekvivalentního proudu, momentu, výkonu, zatěžovatel, 1. Čím je dáno dovolené oteplení? 2. Co je to ustálené oteplení? 3. Čím je dáno ustálené oteplení? 4. Jaký je rozdíl mezi přerušovaným chodem a přerušovaným zatížením? 5. Jak definujeme zatěžovatel? 6. V čem spočívá metoda ekvivalentního proudu, momentu, výkonu? 3. Elektrické stroje Čas ke studiu: 3 hodiny uvést definici a rozdělení elektrických strojů 5

popsat základní vlastnosti stejnosměrných i střídavých strojů vysvětlit principy působení jednotlivých elektrických strojů nakreslit mechanické charakteristiky jednotlivých elektrických strojů uvést veličiny, prostřednictvím kterých jednotlivé elektrické stroje řídíme Stejnosměrné stroje Text je uveden v souboru MS_motory DC.pdf Asynchronní stroje Text je uveden v souboru MS_motory asynchronní.pdf Synchronní stroje Text je uveden v souboru MS_motory synchronní.pdf Elektronicky komutované motory Text je uveden v souboru MS_struktury s ECM.pdf Spínané reluktanční motory Text je uveden v souboru MS_struktury se SRM.pdf Krokové motory Text je uveden v souboru MS_struktury s KM.pdf a MS_struktury s KM-řízení.pdf Cize buzený stejnosměrný motor, stejnosměrný motor s permanentními magnety, kotevní obvod, buzení, magnetický tok, asynchronní a synchronní motor, skluz, synchronní otáčky, univerzální komutátorový motor, krokový motorek, mechanická charakteristika 1. Co je to elektrický stroj? 2. Co vyjadřuje mechanická charakteristika? 3. Jakým způsobem je možné regulovat otáčky u jednotlivých motorů? 4. Jak lze provést změnu směru otáčení u jednotlivých motorů? 6

4. Polovodičové měniče pro napájení elektrických strojů Čas ke studiu: 3 hodiny uvést definici a rozdělení polovodičových měničů popsat základní vlastnosti stejnosměrných i střídavých měničů vysvětlit principy působení jednotlivých polovodičových měničů nakreslit nejdůležitější charakteristiky jednotlivých polovodičových měničů uvést veličiny, které řídíme polovodičovými měniči Text je uveden v souboru MS_polovodičové měniče.pdf Řízený usměrňovač, pulzní měnič, měnič střídavého napětí, měnič kmitočtu, napěťový střídač, proudový střídač, cyklokonvertor 5. Co je to polovodičový měnič? 6. Jaké máme základní druhy polovodičových měničů? 7. Jaké veličiny řídíme u stejnosměrných a střídavých měničů? 8. Co vyjadřuje řídicí charakteristika? 5. Elektrické přístroje Čas ke studiu: 3 hodiny uvést účel, definici a rozdělení elektrických přístrojů popsat základní vlastnosti jednotlivých přístrojů nakreslit vypínací charakteristiku jisticích prvků 7

Elektrické přístroje - účel, definice, rozdělení Elektrické přístroje slouží zejména ke spínání elektrických obvodů a jištění elektrických zařízení. Jištěním se rozumí využití částí, které chrání elektrické zařízení před účinky poruchových proudů a napětí. Spínání se realizuje pomocí spínačů, což jsou elektrické přístroje, jimiž se spínají elektrické obvody. Spínáním se rozumí: a) zapínání, b) vypínání, c) přepínání, d) připojování, e) odpojování, f) přepojování,. g) odpínání. Podle toho rozlišujeme: a) vypínače - spínače k zapínání a vypínání provozních, ponejvíce jmenovitých proudů, b) výkonové vypínače - vypínače schopné bez poškození vypínat i zkratové proudy, c) přepínače - spínače pro přepínání elektrických obvodů při zatížení, d) odpojovače - spínače pro zapínání a vypínání obvodů bez-proudu, e) přepojovače - spínače pro přepojování obvodů bez proudu, f) odpínače - odpojovače schopné zapínat a vypínat proudy v rozsahu vypínací schopnosti uvedené na štítku. Samočinné vypínače jsou upraveny tak, že spínají (zpravidla vypínají) bez zásahu obsluhy tehdy, jestliže se dosáhne předem nastavené velikosti provozní veličiny. Nejčastěji jsou upraveny tak, že samočinně vypínají po dosažení nastavené velikosti proudu (nadproudové samočinné vypínače). POZNÁMKA. V oblasti techniky vysokého napětí se pojmem vypínač rozumí zpravidla vypínač výkonový Podle velikosti napětí proti zemi jsou spínače: a) na malé napětí (mn) do 50 V, b) na nízké napětí (nn) do 300 V, c) na vysoké napětí (vn) do 72,5 kv (ČSN 35 4200), d) na velmi vysoké napětí (vvn) nad 72,5 kv, e) na zvlášť vysoké napětí (zvn) nad 1000 kv. Podle funkce jsou spínače: a) hlavní zařazené v obvodech hlavního proudu, b) pomocné zařazené v pomocných obvodech, tzn. ovládacích a signalizačních. Podle počtu pólů jsou spínače: a) jednopólové, b) několikapólové, nejčastěji trojpólové. 8

Spínače nn rozdělujeme podle několika hledisek. Mezi nejčastěji se používající patří: 1. Koncové ovládané pohybujícím se ústrojím, jež dosáhlo nastavené koncové polohy; zvláštním případem je odstředivý spínač, působící při dosažení nastavených otáček. 2. Tlakové ovládané tlakem kapaliny nebo plynu. 3. Kontroléry řídicí spínače, jejichž různě upravené kontaktní ústrojí postupně spíná proudové obvody v žádaném pořadí. 4. Stykače spínače, jež v jediné spínací poloze, obvykle v zapnutém stavu, jsou drženy cizí silou, např. elektromagnetem. 5. Jističe samočinné nadproudové vypínače sloužící ke spínání a zároveň i jištění elektrických obvodů, ovládané volnoběžkou. 6. Chrániče ochranné vypínače, které zabezpečují ochranu před nebezpečným dotykovým napětím. Měření (hlídání) teploty motorů Text je uveden v souboru MS_měření teploty.pdf Pojistky Text je uveden v souboru MS_Elpřístroje-pojistky.pdf Jističe a chrániče Text je uveden v souboru MS_Elpřístroje-jističe.pdf Stykače Text je uveden v souboru MS_Elpřístroje-stykače.pdf Relé Text je uveden v souboru MS_Elpřístroje-rele.pdf Programovatelné automaty Text je uveden v souboru MS_Elpřístroje-PA.pdf Spínač, pojistka, jistič, chránič, selektivita, stykač, relé pomocné, časové, tepelné nadproudové relé, programovatelný automat (PLC) 9. Které přístroje slouží k jištění a jak se od sebe liší? 10. Co je to selektivita jištění? 11. Jaké charakteristiky uvádíme u jisticích přístrojů? 12. Které přístroje slouží ke spínání a jak se od sebe liší? 9

6. Technické prostředky pro řízení mechatronických systémů Čas ke studiu: 2 hodiny nakreslit základní regulační obvod definovat bloky a veličiny v regulačním obvodu charakterizovat kvalitu regulačního procesu formulovat, jaké požadavky klademe na zadávací, řídicí a měřicí členy Text je uveden v souboru MS_řízení a regulace.pdf, MS_čidla napětí a proudu.pdf, MS_čidla otáček a polohy.pdf a částečně v MS_zakl robotiky.pdf Řízení, ovládání, regulace, žádaná hodnota regulované veličiny, skutečná hodnota regulované veličiny, regulační odchylka (regulované veličiny), akční zásah, poruchová veličina, překmit, stabilita, přesnost regulace, zadávací, měřicí, řídicí členy 1. Jaké základní bloky obsahuje regulační obvod? 2. Které signály rozlišujeme v regulačním obvodu? 3. Co vyjadřuje přechodová charakteristika? 4. Které parametry charakterizují kvalitu regulačního procesu? 5. Jaké klademe požadavky na zadávací, řídicí a měřicí členy? 10

7. Struktury se stejnosměrnými motory Čas ke studiu: 2 hodiny nakreslit strukturu regulace otáček stejnosměrného motoru s cizím buzením vysvětlit, kdy používáme podřazenou regulaci proudu uvést způsoby řízení otáček u stejnosměrného sériového motoru Text je uveden v souboru MS_struktury s DC motory.pdf Stejnosměrný motor s cizím buzením, stejnosměrný sériový motor, regulace proudu kotvy, regulace otáček, podřazená regulační smyčka, blokové schéma regulace, operátorový přenos 1. Jakým způsobem je možné regulovat otáčky stejnosměrného motoru s cizím buzením? 2. Jak lze provést změnu směru otáčení? 3. Proč používáme podřazenou regulaci proudu a kdy? 4. Jak řešíme řízení otáček u stejnosměrného sériového motoru? 11

8. Struktury s asynchronními motory Čas ke studiu: 2 hodiny nakreslit mechanické charakteristiky při frekvenčním řízení charakterizovat oblast odbuzení popsat strukturu regulace otáček s nevektorovým řízením charakterizovat hlavní rozdíl mezi vektorovým a nevektorovým řízením ideově popsat strukturu regulace otáček s vektorovým řízením Text je uveden v souboru MS_struktury s asynchr motory.pdf Mechanická charakteristika asynchronního motoru, frekvenční a napěťové řízení, frekvenční a proudové řízení, vektorové řízení, skalární řízení, regulační struktura, prostorový vektor, souřadný systém 1. Jak se mění synchronní rychlost při frekvenčním řízení asynchronního motoru? 2. Jak se mění maximální moment při frekvenčním řízení asynchronního motoru? 3. Z čeho vychází idea vektorového řízení asynchronního motoru? 4. V čem spočívá rozdíl mezi vektorovým a skalárním řízením? 12

9. Struktury se synchronními motory Čas ke studiu: 2 hodiny nakreslit mechanickou charakteristiku synchronního motoru zdůvodnit orientaci na rotorový systém při vektorovém řízení ideově popsat strukturu regulace otáček s vektorovým řízením Text je uveden v souboru MS_struktury se synchr motory.pdf Synchronní motor s permanentními magnety, vektorové řízení, regulační struktura, prostorový vektor, rotorový souřadný systém, měnič kmitočtu, odbuzení, zátěžný úhel 1. Jak se mění synchronní rychlost při frekvenčním řízení synchronního motoru? 2. Co vyjadřuje termín synchronní? 3. Čím je dán maximální moment u synchronního motoru? 4. Z čeho vychází idea vektorového řízení synchronního motoru v souřadném systému rotoru? 13

10. Struktury se speciálními motory Čas ke studiu: 3 hodiny vysvětlit principy působení jednotlivých motorů popsat základní vlastnosti jednotlivých motorů popsat měniče pro napájení jednotlivých motorů uvést způsoby regulace otáček u jednotlivých motorů Struktury s elektronicky komutovanými motory Text je uveden v souboru MS_struktury s ECM.pdf Struktury se spínanými reluktančními motory Text je uveden v souboru MS_struktury se SRM.pdf Struktury s krokovými motory Text je uveden v souboru MS_struktury s KM.pdf Elektronicky komutovaný motor, spínaný reluktanční motor, krokový motor, napěťový střídač, struktura regulace, statická momentová charakteristika krokových motorů 1. Jaký je princip působení elektronicky komutovaného motoru? 2. Jaký je princip působení spínaného reluktančního motoru? 3. Jaký je princip působení krokového motoru? 4. Jaké jsou základní typy krokových motorů? 5. Jak vypadá a co vyjadřuje statická momentová charakteristika krokového motoru? 6. Jak se liší měniče pro napájení jednotlivých motorů? 7. Jak se liší způsoby regulace otáček u jednotlivých motorů? 14

11. Základy robotiky Čas ke studiu: 1 hodina uvést základní rozdělení robotů uvést v čem se od sebe liší popsat průmyslový robot vč. jeho periferií Text je uveden v souboru MS_zakl robotiky.pdf Mobilní a servisní roboty, průmyslové roboty a manipulátory, servopohony, elektrické lineární pohony, odměřovací systémy robotů 1. Jaké je základní rozdělení robotů? 2. Čím se od sebe tyto roboty liší? 3. Z kterých komponentů se skládá průmyslový robot? Literatura ČERMÁK, T.: Elektrické regulační pohony. Skriptum VŠB-TU Ostrava 1986. KULE, L. FLAJTINGR, J.: Elektrické pohony se střídavými motory a polovodičovými měniči. Skriptum ZČU Plzeň 2002. 15