Automatiserte anlegg 2000 8200425126 [PDF]

Zitiervorschau

Lennart Kordel ogjorgen Johnsson

Automatiserte anlegg 2000 Faktabok Grunnkurs elektrofag

Bokmål

Universitetsforlaget AS

© Universitetsforlaget AS 1998 ISBN 82-00-42512-6

© Lennart Kordel og Jorgen Johnsson. Micro Support AB © 1996 Lennart Kordel. Peter Bengtsson Styrteknik 2000, Styrteknik Grundkurs, Faktabok och LiberAB

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inn­ dragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i mai 1998 til bruk i vide­ regående skole på studieretning for elektrofag, grunnkurs elektrofag, i faget automatiserte anlegg, modul 6.

Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av oktober 1993 og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Odd Hammertoft har oversatt den svenske teksten til norsk.

Henvendelser om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget AS

Postboks 2959 Tøyen

0608 OSLO Internettadresse: http://www.scup.no

Bildeleverandør: Jeffery Richt/Immediate Productions Sats: Fridha Frid/Didacta Tegninger: Rickard Ax/Didacta. Bjørn Pickart/PEDTEC AS Omslag: Tor Berglie Trykk: Daleke Grafiska AB

Forord Læremidlet Automatiserte anlegg består av en faktabok og en sepa­ rat bok med oppgaver og øvinger. De to bøkene dekker til sammen målene i modul 6 i læreplanen for grunnkurs elektrofag. Med dette opplegget kan en kombinere lærerstyrt undervisning og selvstudier. Oppgavene er knyttet til stoffet i faktaboka. Til øvingene bruker en motorutstyr med vekselstrømsmotor og kontaktor som blir styrt enten av en styreenhet eller et PLS-system. Motorer er en del av hverdagen, og i øvingene lærer elevene om enkle motorkoplinger og om det utstyret som blir brukt, til å starte og stoppe motoren enten med en bryter eller med et PLS-system. De lærer også om koplinger med forrigling for framover- og bakoverstyring, og om styring fra to forskjellige steder.

Sensorene har en viktig oppgave i automatiserte anlegg, i en av øvingene lærer elevene å stille inn avfølingsavstanden til forskjel­ lige sensorer i forhold til det objektet de skal avføle.

I tillegg til å lære om motorstyring med PLS får elevene også øvelse i å programmere, for eksempel i øvingen med med å lage programmeringsunderlag og programmere forskjellige løsninger for en enkel styring av trafikklys. Øvingene avsluttes med feilsøking på styrekretser med kontaktorer og PLS.

Lykke til!

Jorgen Johnsson

Lennart Kordel

Lund

Norrkdping

Innhold / Styreteknikkens oppgave

5

Innledning Praktisk bruk av styresystemet Styreteknikkens utvikling Styring og regulering Norsk-engelsk hjørne Kontrollspø rsmå l

6 10 14 15 17 17

2 Binær teknikk Det binære tallsystemet Binær teknikk Brytere Releer Funksjonsdiagram og sannhetstabell Sensor PLS-system Styreteknikken i virkeligheten Norsk-engelsk hjørne Kon tro l Ispø rsmå l

3 Sensorer Direkte påvirkning Turtallsmåler Sensorer i praktisk bruk Norsk-engelsk hjørne Kontrollspørsmål

4 Motoren Motorkraft - en del av hverdagen Induksjon Vekselstrømsmotoren Trefasemotoren - den vanligste asyn­ kronmotoren Vekselstrømsmotorens konstruksjon Burviklet rotor o A tolke merkeskilt Norsk-engelsk hjørne Kontrollspørsmål

5 Lover og forskrifter Lover Forskrifter Sikkerhetsforskriftene (SL) Direktiver Normer Norsk-engelsk hjørne Kon trollspørsmål

18 19 20 21 21 22 23 23 25 28 28

29 30 37 38 40 40

41 42 43 45 48 48 50 51 59 59

60 63 63 65 66 67 68 68

6 Motorstyring Kontaktoren - et sterkstrømsrelé Start av asynkronmotorer Trefasemotor i drift Start av trefasemotor i et enfasenett Startapparater med vern Jordfeilbryter Sikkerhet Norsk-engelsk hjørne Kon tro 11spø rsmå l

7 PLS-styringer PLS-en Maskinstyring Prosesstyring Hvilke oppgaver har styrestystemet? Portene til en PLS Inni PLS-en Programkjøring En PLS har sitt eget språk PLS-funksjoner Sammendrag Noen praktiske eksempler med PLS Trafikklys ved fotgjengerovergang Norsk-engelsk hjørne Kontrol Ispørsmål

8 Feilsøking

69 72 75 77 78 79 81 82 83 83

84 85 86 87 87 89 92 93 95 95 105 106 112 117 117

118

o

Årsaker til feil Feilsøkingsmetoder Prøvekiøring Etter feilsøkingen Norsk-engelsk hjørne Kontrollspørsmål

119 122 125 126 126 126

9 Automatiserte anlegg

/27

Noen eksempler på anlegg Norsk-engelsk hjørne Kontrollspørsmål

128 132 132

10 Dokumentasjon

133

Ulike typer dokumentasjon Krav til dokumentasjon Symboler Norsk-engelsk hjørne Kontrol Ispørsmål

135 137 138 139 139

Stikkord

140

I

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

Mål / dette kapitlet lærer du om • den tekniske utviklingen • hvordan et styresystem er bygd opp • hvordan styrete kn i kken har utviklet seg

Innledning Du har kanskje sett Charlie Chaplins film «Moderne tider», som ble spilt inn for 60 ar siden? Den tekniske utviklingen har gått raskt, og vi har fatt okt mekanisering, automatisering og bruk av datamaskiner, noe som igjen har ført til forandringer i produk­ sjonsmetodene og styringsteknikken. Produksjonen skjer nå un­ der helt andre forutsetninger enn før. Men uansett om det er snakk om en enkel mekanisering eller en teknisk avansert automatise­ ring, så bygger utviklingen på et samspill mellom ulike teknikker, økonomiske forutsetninger og vilje til å bruke menneskets mulig­ heter på riktig måte.

Når vi automatiserer for eksempel en produksjonsprosess, betyr det at maskiner overtar oppgaver som før ble utført av en eller flere ansatte. I en moderne industribedrift innenfor for eksempel prosessindustrien er det få ansatte som deltar aktivt i selve pro­ duksjonen. Operatøren sitter i et kontrollrom og styrer og overvåker anlegget. Dersom en unormal situasjon oppstår, får operatøren melding om det og handler deretter. Inntil for få år siden var det industri­ arbeideren som startet motorene, åpnet ventilene og gjorde ar­ beidsoperasjonene manuelt gjennom hele prosessen. I dag kan alle operasjoner styres og overvåkes fra kontrollrommet ved hjelp av en datamaskin og tastaturet.

De økonomiske årsakene har vært viktigst i utviklingen innenfor automatiseringen. En stadig mer effektiv produksjon gir større fortjeneste. Automatisering har en rekke fordeler, for eksempel: • billigere vareproduksjon slik at flere har råd til å kjøpe produktet • bedre kvalitet på varene: maskiner gjør færre feil enn mennesker • at maskiner kan gjøre tungt og ensidig arbeid som mennesker tidligere utførte, og dermed redusere antall personskader

6

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

Figur 1. 1 Sveising er et område der styreteknikk blir brukt for å øke produktiviteten og forbedre kvaliteten, og samtidig bidra til et bedre arbeidsmiljø. Automatisert sveising foregår i et samspill mellom styreteknikk, sveiseteknikk, robotteknikk osv.

• at maskinene kan arbeide 24 timer i døgnet og er dermed svært effektive • at det blir færre mennesker å lønne og større overskudd i bedriften

Men automatisering har også ulemper, for eksempel: • mindre behov for arbeidskraft, noe som kan føre til arbeids­ ledighet • en del ensformige arbeidsoppgaver som kan føre til stress og psykiske plager • sentralisering av arbeidsplassene og liten konkurranse mellom produsentene Når vi snakker om automatisering, tenker vi kanskje først og fremst på industriproduksjon, men også dagliglivet blir mer og mer blir automatisert ved at • en moderne vaskemaskin er et moderne automatisert anlegg med måling, styring og regulering

• det elektriske verktøyet vi bruker som fagarbeidere og i fritiden, i stor grad er automatisert • termostatstyrte varmeovner er enkle automatiserte anlegg • moderne ventilasjonsanlegg er helautomatiserte • trafikklysanlegg er automatiserte • et moderne varehus har en rekke automatiserte funksjoner

Kort historisk oversikt Selv om automatiseringen i industrien har gått gradvis, så er det en del viktige oppfinnelser som har satt stor fart i utviklingen. Noen viktige årstall:

1770-årene:

Den industrielle revolusjon startet i England. Mekaniske maskiner over­ tok en del arbeidsoppgaver, blant annet i spinnerier.

Slutten av 1800-tallet:

En rekke elektriske oppfinnelser som generator, motor, belysning og tele­ graf førte til at elektriske motorer overtok mange oppgaver.

1920-årene:

Henry Ford innførte samlebåndet i masseproduksjonen. Det effektiviserte arbeidet, og har vært i bruk fram til i dag.

1954:

Transistoren ble oppfunnet. Ved hjelp av elektronikk kunne en bygge automatiserte anlegg mindre, bedre og mer effektive.

1961:

Den første industrielle roboten ble produsert. Siden den tid har roboten overtatt flere og flere oppgaver. I bilindustrien blir roboter brukt til en rekke oppgaver, for eksempel til sveising og lakkering.

1971:

Den første mikroprosessoren ble produsert. Den satte fart i utviklingen av PLS-er, CNC-maskiner og en rekke datamaskiner.

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

7

Styresystemet Når vi konstruerer utstyr til et styresystem som skal styre en au­ tomatisert prosess, må vi først bestemme hvilke arbeidsopera­ sjoner det skal utføre. Vi må dessuten undersøke hvilke bevegelser verktøyet og arbeidsstykket skal gjøre, og i hvilken rekkefølge bevegelsene kommer. Deretter gjelder det å velge det rette styre­ systemet. Et styresystem består av tre deler, se figur 1.2:

• sensor • informasjonsbearbeiding • styreenhet

Figur ].2 Oppbygningen av et styresystem

I sensoren sitter alle bryterne og giverne som henter inn infor­ masjon. Bryterne kan være manuelle eller automatiske. I indu­ strianlegg kan det for eksempel være automatiske sensorer som måler temperatur, nivå, trykk, posisjon og hastighet. De sender signalene til sentralenheten. Sentralenheten kan være en programmerbar styring (PLS), en verktøymaskin (CNC) eller en prosessdatamaskin. Denne enheten inneholder et program. Alle signalene blir behandlet i sentral­ enheten som sender dem vidare til styreenheten slik programmet sier den skal. Styreenheten kan være en motor som for eksempel driver en vifte, et transportbånd eller en pumpe. Forskjellige styreenheter kan utføre nesten alle typer arbeid.

Vi kommer tilbake til oppbygningen av styresystemet. La oss se på hvordan et vanlig automatisert anlegg virker.

Figur 1.3 viser et klimaanlegg, eller et ventilasjonsanlegg, som det også blir kalt. Inneklimaet i flere leiligheter blir styrt av en vanlig datamaskin, og alle styresignalene går over telenettet. I hver leilighet kan en stille inn den temperaturen en ønsker, og slå anlegget av og på til bestemte tider på døgnet. Styresignalene går til PC-en som behandler dem, og sender signaler tilbake til anlegget om start eller stopp av vifter, og om hvilken temperatur det skal være i hvert rom.

8

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

lllllll

Figur 1.3 Fjernovervåking av klimaanlegg fra en PC via telefonnettet 1)

Klimaanlegg

2)

Kommunikasjonsenheter

3)

Modem

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

9

Praktisk bruk av styreteknikk Mekanisering Tenk deg at du skal spenne fast et arbeidsstykke. Du kan selv­ følgelig gjøre det for hand, men hva trenger vi dersom vi vil mekanisere denne arbeidsoperasjonen, det vil si å overlate arbei­ det til en maskin? I dette tilfellet er det bare lineære bevegelser som skal utføres. Vi kan bruke pneumatiske komponenter, for eksempel en enkeltvirkende eller en dobbeltvirkende sylinder. Se figur 1.4. For å styre hvordan sylinderen skal spenne fast arbeidsstykket, er et antall ventiler koplet sammen med sylinderen til et styresystem. Det er mulig å videreutvikle styresystemet slik at det også om­ fatter selve bearbeidingen av arbeidsstykket. Når arbeidsoperasjonen er mekanisert, kan operatøren foreta seg noe annet mens bearbeidingen foregår, men arbeidsstykket må fremdeles legges inn og tas ut manuelt.

Figur 1.4 Fastspenning er et eksempel på enkel mekanisering. 1 det ene tilfellet blir det brukt en enkeltvirkende sylinder med returfjær og i det andre tilfellet en dobbeltvirkende sylinder

Dobbeltvirkende sylinder

I0

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

Automatisering Kirkeklokker kan lett kompletteres med et styresystem. Dette er et eksempel på en relativt enkel styreteknisk oppgave. All informa­ sjon som er nødvendig for at kirkeklokkene skal ringe til rett tid og på riktig måte, er lagt inn i styresystemet. Vi programmerer inn all nødvendig informasjon som trengs for å styre klokkene, i et lite PLS-system. PLS-systemet kan dessuten åpne og stenge dører, tenne og slokke belysning både ute og inne og styre temperaturen i de forskjellige kirkerommene.

Figur 1.5 Klokkene ringer ved hjelp av styreteknikk. Her finner vi programmer som:

•

åpner tårnlukene når klokkene ringer

•

styrer slagverk som slår hver time og hvert kvarter

•

styrer maskiner som ringer ved gudstjenester

•

styrer ringingen slik at klokkene slår sine slag vekselvis i takt

Klimaanlegg I klimaanlegg finner vi komponenter som regulerer temperaturen, og dessuten et omfattende utstyr som styrer og overvåker an­ legget. Det kan for eksempel gjelde oppgaver der et ur kan stilles inn på start- og stopptider for ulike funksjoner i løpet av en uke. Andre oppgaver kan omfatte overvåking av driftsforløp. Styring av anlegg der det er fare for frost, eller omkopling mellom høy og lav hastighet på vifter og pumper, forekommer også ofte.

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

Vaskeautomat for biler Et annet eksempel på automatisering er vaskeanlegg for biler. Se figur 1.6. Sensorer i de forskjellige delene av anlegget holder rede på det som skjer. Med et enkelt styresystem blir rett funksjon for anlegget programmert inn.

Figur 1.6 len vaskeautomatfor biler kan vi programmere inn disse funksjonene i et enkelt styresystem:

• Forvask der avfettingsmiddel blir sprøytet på særlig foran og bak på bilen. • Felgene blir påført et rengjø ring smidde l før selve ren­ gjøringen begynner. • Styring av sidebørstene som blir drevet av elmotorer og snorer. Kontakter i børsteopphenget styrer bevegelsene til børstene slik at de har riktig stilling når de vasker bilens front, sider og bakpart. • Orientering av hjulbørstene mot hjulene. 1 hjulbørstene er det en kontaktpinne, og når den blir påvirket av bilhjulet, øker anleggstrykket. Etter 3 s skifter børstene omdreiningsretning, og hjulene vaskes i ytterligere 3 s. Deretter koples hjulbørstene fra. Forhjulene kan trenge lengre vasketid.

I2

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

• Styring av takbørsten som blir drevet av en elmotor, og som balanseres mekanisk med motvekter. Styringen skjer med fotoceller eller mekanisk. Den eneste kommandoen er «oppover». • Spyling av understellet, der et konserveringsmiddel ofte blir tilsatt vannet i avslutningsfasen. • Påføring av varm voks i dampform for å beskytte billakken. • Tørking, der to vifter blåser luft mot bilen gjennom to munnstykker. • Gjenvinning av vannet, noe som betyr mindre vann­ forbruk og bedre miljø. • Dersom det oppstårfeil, blir årsaken tilfeilen registrert av en sentral datamaskin som kaller på service.

Automatiserte maskiner Når vi skal produsere i store serier, blir maskinene bygd sammen og styrt av en datamaskin med stor minnekapasitet. Se figur 1.7.

Vi bruker da et styresystem med sensorer, datamaskin og styre enheter. Datamaskinen kan programmeres om og tilpasses en be­ stemt oppgave. Den kan også betjene flere maskiner og holde rede på for eksempel • forflytninger • fastspenning og løsgjøring av arbeidsstykker • skifte av verktøy • bearbeidingsfaser

• kontrollmålinger • dokumentasjon Robot

Figur 1.7 Her skal roboten først gripe tak i arbeidsstykket, deretter finne rett posisjon for det og til slutt slippe taket i det. Den kan også ha som oppgave å hjelpe til ved bearbeidingen og kontrollere resultatet før den leverer arbeids­ stykket videre. En robot kan dessuten programmeres slik at den vender arbeidsstykket i rett posisjon og orienterer det mot et visst punkt

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

13

Styreteknikkens utvikling Styring av lager, transportbånd, roboter osv. krever energi i form av elektrisitet, pneumatikk eller hydraulikk. Vi skiller derfor mel­ lom elektriske, pneumatiske og hydrauliske styresystemer som driver lineære og/eller roterende maskiner. Signaler som angir ni­ våer. posisjoner osv., får styresystemet fra sensorer som føler for eksempel temperatur, trykk eller spenning. Styresystemet har og­ så paneler med grensesnitt, det vil si tilpasningsenheter som gjør at mennesket kan kommunisere med datamaskinen.

Ny teknikk blir innført, og industrien er i stadig utvikling. Forut­ setningene for dem som arbeider der, endrer seg i takt med dette. Tunge og ensformige bevegelser som operatørene tidligere måtte utføre, blir nå utført av maskiner og roboter. Dermed har vi fått anlegg med bedre arbeidsmiljø for operatørene der bedriften let­ tere kan oppfylle de kravene samfunnet til enhver tid stiller til miljøet. Andre gevinster er større produktivitet og bedre kvalitet. Den tekniske utviklingen fortsetter, noe som vil medføre økte mu­ ligheter for å mekanisere, styre og overvåke prosesser. Det vil igjen bane veien for økt automatisering.

I4

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

Styring og regulering

Figur 1.9 Denne siden viser hva som kan skje når det mangler styring og regulering

I forbindelse med automatiserte anlegg støter en ofte på ordene styring og regulering. Det er ord som blir brukt litt om hverandre og kan misforstås. Vi tar derfor med den standardiserte defini­ sjonen av begrepene styring og regulering.

«Styring er påvirkning av en prosess uten bruk av tilbakekopling.» «Regulering er påvirkning av en prosess gjennom tilbakekopling med det formål å bringe utgangsstørrelsen i overensstemmelse med de gitte spesifikasjonene.» To enkle eksempler kan vise forskjellen: Dersom vi legger varme­ kabler i et golv og kan slå strømmen av og på med en bryter, har vi en enkel styring. Vi slår på varmen, men har ingen tilbakekopling som viser hvordan prosessen har gått.

Dersom vi i det samme anlegget legger en temperaturføler i golvet og en elektronisk enhet som tar imot signal fra giveren og sørger for å slå på innstilt varme, da har vi fått en regulering. Regula­ toren, som i dette tilfellet er en termostat, sammenlikner giverens måleresultat med den verdien som vi har stilt inn termostaten på, og slår på ønsket varme. Reguleringen av varmen kan skje ved hjelp av elektroniske enheter som tyristorer eller triacer, som du lærer om i elektronikken. En styringssensor består vanligvis av manuelle av- og påbrytere eller automatiske givere. Sentralenheten kan for eksempel være kontaktorer eller PLS-er. Styreenheten kan være en motor, en ven­ til eller et varmeelement. Vi viser hvordan en styring virker, ved å bruke ulike typer skjemaer, som du skal lære om senere.

En reguleringssensor kan bestå av givere som ikke bare gir av- og påsignal, men også alle mellomliggende verdier av et signal om for eksempel nivå eller temperatur. Sentralenheten kan være en regulator, en PLS med innebygd regulator eller en prosessdatamaskin. Styreenheten kan være en motor, varmeelementer el­ ler en ventil. Når vi skal vise en reguleringssløyfe, bruker vi et flytskjema.

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

15

Tradisjonelt har elektrikerne arbeidet med styringer og automatikerne med reguleringer. De fleste anlegg har i de siste årene blitt mer og mer integrerte, så det kan ofte være vanskelig å skille hva som er anleggsstyring, og hva som er anleggsregulering. Av den grunn går også arbeidsoppdragene litt om hverandre. En elektri­ ker arbeider mest med styring, men også litt med regulering. En automatiker arbeider mest med regulering, men også litt med sty­ ring.

Automasjonsmekanikeren kan arbeide med deler av det elektriske anlegget.

ADB = automatisk databehandling NC

= numerisk styring (numerical control)

PLS

= programmerbar logisk styring (PLC = programmable logical controller)

CNC = databasert numerisk styring (computerized numerical control) DAK = datamaskinassistert konstruksjon (CAD = computer aided design) DAP = datamaskinassistert produksjon (CAM = computer aided manufacturing)

FMS = fleksibelt produksjonssystem (flexible manufacturing system) JIT

= just in time

CIM - dataintegrert produksjon (computer integrated manufacturing) AI

- kunstig intelligens (artificial intelligence)

Figur 1.10 Noen teknologiske framskritt som har hatt betydning for styreteknikkens utvikling

I6

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

Norsk-engelsk hjørne automat

automat, automatic machine

automasjon

automation

automatisk styring

automatic control

mekanisering

mechanization

styring

control

styresystem

control system (open loop)

reguleringssystem

control system (closed loop)

sensor

sensor

styreenhet

control element

tilbakemelding

feedback

utvikling

development

fastspenningsanordning

clamping unit

kirkeklokker

church bell

klimaanlegg

climate construction

bilvaskanlegg

carwashing construction

Kontrollspørsmål 1 Forklar forskjellen mellom en styring og en regulering med et eksempel. 2 Nevn noen fordeler og ulemper ved automatisering.

3 Gi noen eksempler på sensorer. 4 Definer begrepet automatisering med dine egne ord.

Oppgaver LI - 1.13

STYRETEKNIKKENS OPPGAVE

17

BINÆRTEKNIKK

Tallsystemet som vi kjenner fra matematikken, desimalsystemet, inneholder ti forskjellige sifre: 0123456789 Hvert siffer har sin verdi (størrelse), og verdien er avhengig av hvilken plassering sifferet har. Vi kaller dette tallsystemet et posi­ sjonssystem. Sifferet lengst til høyre er det minst betydningsfulle. I et flersifret desimaltall, for eksempel 1934, er sifferet 1 et tusen­ tall, 9 et hundretall, 3 et titall og 4 et entall.

Det binære tallsystemet Et annet tallsystem, som blir stadig viktigere i forbindelse med bruk av styreteknikk og datamaskinteknikk, er det binære tallsys­ temet. Her er grunntallet 2, og vi bruker bare to sifre, 0 og 1. De fem første heltallene i det binære tallsystemet skriver vi slik:

1 = 1 • 2° = 1 10 = l-21+ 0.2° = 2 + 0 = 2

11 = 1-21+ 1.2° = 2+1=3 100 = 1.22 + 0 • 21 + 0 • 2° = 4 + 0 + 0 = 4 101 = 1.22 + 0 • 21 + 1 • 2° = 4 + 0 + 1 = 5 Ettersom det binære tallsystemet bare har to symboler, 1 og 0, er det enklere enn desimalsystemet. På den andre siden trenger vi flere sifre for å uttrykke det samme tallet.

De to sifrene 1 og 0 blir ofte kalt biter eller bit, som er en for­ kortelse for den engelske betegnelsen /?inary digzfs, dvs. binære sifre. På norsk står bit for Ernært fall. 10 biter tilsvarer et utvalg på noe over 1000, 20 biter tilsvarer en million og 30 biter noe over en milliard muligheter.

Figur 2.1 Spillet Othello kan brukes til å illustrere binære tall. Her ser du 1 (10) , - 8(10) , uttrykt ved hjelp av brikker

BINÆR TEKNIKK

19

Binær teknikk Det binære tallsystemet er toverdig og bygger på to klart definerte tilstander. Det stemmer overens med teknikken der mange kom­ ponenter arbeider med to stabile tilstander. Den ene tilstanden svarer da til det binære 0, mens den andre tilstanden svarer til det binære 1.

Vi bruker 0 og 1 til å identifisere de tilstandene en binær variabel kan innta. Disse tilstandene blir kalt 0-tilstanden (eller 0) og 1tilstanden (eller 1).

Figur 2.2 Eksempel på to tilstander

Det forekommer også at de to tilstandene blir betegnet med bok­ stavene H (High = Høy) og L (Low = Lav). H betegner den høye og L den lave av de to verdiene. I styresystemer blir forskjellige typer informasjon bearbeidet som tall, bokstaver, koder, instruksjoner osv. Slik informasjon kan lett være representert av binære tall eller binære koder. Det er mulig å mate inn, bearbeide, overføre og mate ut styreteknisk informasjon om forskjellige komponenter som arbeider med to klart definerte tilstander.

Vi skal se på noen av komponentene.

20

BINÆR TEKNIKK

Brytere er et fellesnavn for komponenter som bryter, lukker eller kopler om strøm, vanligvis manuelt. Det fins mange forskjellige utførelser av brytere, for eksempel med en, to eller flere poler, med slutte- eller brytekontakt, med eller uten automatisk retur og med forskjellige styringer. De kan være manuelt styrt ved at vi må trykke, trekke eller dreie en knapp. Brytere kan også være utført som nødstopp.

Figur 2.3 Brytere

Kontaktene kan i utgangsstillingen innta to forskjellige tilstander. Kontakten er enten åpen eller lukket.

Den normalt lukkede kontakten har den engelske betegnelsen normally closed, forkortet NC, mens den normalt åpne kontakten har den engelske betegnelsen normally open, forkortet NO.

BINÆR TEKNIKK

2

Releer Det elektromagnetiske releet er en elektromagnetisk bryter, men kan også ses på som en enkel og billig forsterker. Det blir styrt av en liten strøm, og ved hjelp av kontaktene kan det slutte og bryte kretser. I releet er det en spole, og nar strømmen passerer gjennom spolen, blir det skapt et magnetfelt som trekker til seg en be­ vegelig kjerne. Den er mekanisk sammenkoplet med kontaktene, som dermed bryter eller slutter. Figur 2.4 a er et eksempel på et relé med forskjellige kontaktfunksjoner.

Figur 2.4 a) Relé med kontakter b) Funksjonsdiagram c) Sannhetstabell

Funksjonsdiagram og sannhetstabell Når vi skal vise signaltilstandene i forskjellige sammenhenger, bruker vi funksjonsdiagram og/eller sannhetstabell, se figurene 2.4 b og 2.4 c. I begge tilfellene blir signaltilstanden og over­ gangene mellom 0- og 1 -tilstanden eller omvendt gjengitt. I funk­ sjon sdiagrammet blir signaltilstanden angitt langs en tidsakse. Når releet K trekker, blir det markert i diagrammet ved at K skifter tilstand fra 0 til 1. Samtidig blir de to relékontaktene KI = 1 og K2 = 0. Når releet går tilbake til utgangsstillingen, blir K = 0. Kl = 0 og K2 = 1. Den samme endringen blir vist i sannhetstabellen. Der blir den aktuelle signaltilstanden. 0 eller 1, angitt for reléspolen K. Det blir fulgt opp av signaltilstanden for de forskjellige kontakt­ ene. i dette tilfellet Kl og K2.

22

B/NÆR TEKNIKK

c) Sannhetstabell K

Kl

K2

0

0

1

1

1

0

Sensor Med sensorer mener vi ulike nærhetsfølsomme givere. Sensorene arbeider med ulike fysiske størrelser. Sensoren på figur 2.5 er bygd opp rundt en elektronisk oscillator. Den skaper et svært av­ grenset induktivt felt som stråler ut fra den aktive overflaten til giveren. Når en metallgjenstand blir ført fram foran den aktive overflaten, blir magnetfeltet endret. Oscillatoren gir en spenningsendring som blir forsterket, og som siden kan leses av som 0 eller

Figur 2.5 Induktiv sensor med forsterker

PLS-system Informasjonsbearbeidingen av de binære signalene fra brytere, re­ leer eller sensorer skjer i et programmerbart styresystem. Det blir kalt PLS-system som står for programmerbart logisk styresystem. I dag skjer praktisk talt all produksjon av store styresystemer med PLS-teknikk. Årsaken til at PLS-systemene så raskt har kunnet erstatte reléløsninger, er at de har en fleksibilitet som gjør at vi kan tilpasse styresystemet nøyaktig til den oppgaven det skal utføre. Ved omprogrammering er det også lett å foreta tester og endre programmer mens anlegget er i drift.

BINÆR TEKNIKK

23

PLS-systemene har en inngangsside og en utgangsside og en tilkoplingskontcikt for programmeringsenheten. Sensorer og even­ tuelle andre signalgivere koples til inngangssiden. Alle styreinnretninger. som releer, kontaktorer, ventiler og eventuelle indika­ torer. koples til utgangssiden.

Figur 2.6 Et styresystem er bygd opp av sensorer, en enhet for bearbeiding av informasjon og en eller flere styreinnretninger

Programmeringen skjer med en håndterminal eller med en PCprogramvare. Alle instruksjoner vi har tastet inn, blir lagret i pro­ grammet. Minnet holder på informasjonen selv om den tilførte spenningen blir frakoplet. Alle innganger og utganger blir ofte indikert med lysdioder på fronten av PLS-enheten. Vi kan derfor raskt lese av statusen til styresystemet. Dersom det er behov for mer informasjon, blir dette fanget opp ved kommunikasjon via programmeringsenheten eller den PC-en vi bruker til programme­ ringen.

Figur 2.7 PLS-system med programmeringsenhet

24

BINÆR TEKNIKK

Styreteknikken i virkeligheten Mekanisert arbeidsoppgave En stanse som stanser ut forskjellige deler, skal styres av en sylinder. Se figur 2.8. Operatøren legger inn stanseobjektet før stansingen og tar det stansede objektet ut etter at stanseoperasjonen er utført, osv. For å unngå at stansingen starter når en av hendene til operatøren er inne i verktøyet, stilles det krav om tohåndsbetjening. Det blir derfor bygd inn en funksjon med to manuelt styrte kontakter som er plassert slik at de ikke kan betjenes samtidig av én hånd. Stans­ ingen kan bare starte når begge hendene gir startsignal. Stansingen krever dessuten at trykklufta har et trykk på minst 5 bar. b)

a)

Trykk 5 bar

Høyre start —

&

—Stansing

Venstre start —

Løsningen er en sikkerhetskrets med en seriekopling. De to manuelt styrte bryterne blir koplet i serie med hverandre og i serie med elkontakten i en sensor som måler trykket i trykkluftnettet. Releet som starter stansingen, blir styrt av de tre seriekoplede kontaktene. Figur 2.8 a viser et logisk skje­ ma for tohåndsbetjeningen. I styreteknik­ ken blir en seriekopling av brytere kalt en OG-funksjon. Bryter 1 OG bryter 2 OG bryter 3 må være 1 for at stansingen skal starte.

Figur 2.8 Tohåndsbetjening

BINÆR TEKNIKK

25

Overvåking Pumpen som sirkulerer varmt vann i et ventilasjonsaggregat, skal være i drift under disse forutsetningene, se figur 2.9: • Automatikken gir signal om at pumpa skal være i drift. • Når det er fare for frost, det vil si når utetemperaturen er lavere enn 5 °C og automatikken ikke har gitt startsignal. • I stillstandsperioder skal pumpa være i bevegelse 30 sekunder hver dag kl. 15.00. Dermed unngår vi skader på grunn av still­ standen. Løsningen er en parallellkopling der de forskjellige betingelsene for pumpedrift legges inn parallelt på inngangene. Pumpa er i drift dersom automatikken gir driftssignal. ELLER det er fare for frost, ELLER stillstandsdrift er aktuelt. I styreteknikken blir denne kop­ lingen kalt en ELLER-funksjon. Figur 2.9 viser logikkskjemaet. Automatikk —

Fare for frost —

>1

— Pumpestart

Bevegelse —

Service

Figur 2.9 Styrekrets for pumpe

Inngangsdøra til en matbutikk skal åpne dersom noen nærmer seg døra innenfra eller utenfra. To fotoceller som er plassert over døra, føler når noen nærmer seg. Se figur 2.10.

Indre fotocelle —

— Døra åpner seg Ytre fotocelle —

Figur 2.10 Styring av dør fra to kanter. Tostasjonsbetjening

Vi løser oppgaven med en ELLER-port. De to fotocellene koples til inngangen på porten. Når noen går forbi den ytre ELLER den indre fotocellen, blir det gitt signal til døra om at den skal åpne seg. Det er lagt inn en forsinkelse slik at døra ikke lukker umiddel­ bart etter at en person har passert. Figur 2.10 viser logikkskje­ maet.

26

BINÆR TEKNIKK

Trafikk Døra til en rutebuss skal åpne seg dersom bussen står stille og passasjerer skal av eller på, eller dersom føreren vil åpne den. Se figur 2.11. Døra skal ikke kunne åpnes av fører eller passasjerer når bussen er i bevegelse.

Dersom føreren vil åpne døra, påvirker han en kontakt ved fører­ setet. Når en passasjer vil av, blir en fotocelle ved utgangen påvir­ ket. Det er imidlertid ikke mulig å åpne døra før bussen har stan­ set. Bussens bevegelse blir målt av en måler som er montert på drivmekanismen.

Døra åpner seg

Figur 2.11 Åpning av døra på en buss

De logiske portene kan kombineres på forskjellige måter slik at de betingelsene vi stiller, blir oppfylt. I dette eksemplet er styre­ systemet bygd opp av en OG-funksjon og en ELLER-funksjon. Signalet fra måleren som måler bussens bevegelse og gir signal om at bussen IKKE er i bevegelse, blir koplet som en av inn­ gangene på OG-funksjonen. ELLER-funksjonen blir koplet til den andre inngangen. Til inngangene på ELLER-funksjonen kopler vi signalet fra bussjåføren og signalene fra passasjerer som vil av. Figur 2.11 viser logikkskjemaet. Det er utallige virkelighetsnære styretekniske bruksområder som du selv kan fundere over når du arbeider med oppgaver og ø vinger.

BINÆR TEKNIKK

27

Norsk-engelsk hjørne binær

binary

det binære tallsystemet

binary numeration system

binært siffer

binary digit

binært signal

binary signal

O-tilstand

zero level

1 -tilstand

one level

bryter

switch

enpolt

single pole

flerpolt

multipole

manuelt styrt

manually operated

relé

relay

funksjonsdiagram

function diagram

sannhetstabell

truth table

programmering

programming

håndterminal

hand terminal

tohåndsbetjening

interlock control system

tostasjonsbetjening

two position control system

Kontrollspørsmål 1 Forklar hvordan vi kan utnytte de to binære tilstandene 1 og 0 i teknikken. 2 På hvilken måte kan et relé brukes til å iverksette utsignalene fra styresystemet? 3 Hvilken oppgave har PLS-systemet i et styresystem?

4 Nevn noen bevegelser som må programmeres i en bilvaskautomat.

Oppgaver 2.1 - 2.9

28

BINÆR TEKNIKK

3 Mål I dette kapitlet lærer du om • ulike typer sensorer • sensorer i praktisk bruk

SENSORER

Med sensorer eller givere mener vi måleutstyr der utsignalet er en funksjon av målestørrelsen. Sensoren kan bli aktivert av et grensenivå, et magnetfelt, et induktivt kraftfelt, et kapasitivt felt, for­ skjellig slags lys osv. Det fins også sensorer som kontinuerlig registrerer et trykk eller en temperatur. I reguleringsteknikken er det i hovedsak denne typen måleinnretninger vi arbeider med.

Direkte påvirkning For å vite om vi har nådd en grensestilling. kan vi bruke en meka­ nisk innretning som påvirker en bryter. I bryteren er det elektriske kontaktfjærer som øyeblikkelig skifter stilling når styreorganet blir påvirket. Mikrobryteren er et eksempel på en vanlig grensebryter eller endestillingsbryter. Den blir bygd sammen med en mekanisk sty­ ring, for eksempel en rulle eller en fjær. Mekaniske grensebrytere blir vanligvis brukt for å indikere at stempelet i en trykkluftsylinder har kommet til endestillingen. Se figur 3.1, som viser en sylinder med stempelstanga i ytre stilling, og to grensebrytere montert i den fremre og den bakre endestill­ ingen.

Grensestillingene blir her styrt av stempestanga ved direkte meka­ nisk påvirkning. Som du ser, blir det ganske trangt rundt stem­ pelstanga. Det er også fare for at den kan komme ut av stilling, og at signalgivningen dermed blir feil.

Figur 3.1 Direkte påvirkning. Stempelstang med pneumatiske ventiler i plusstilling og minusstilling

30

SENSORER

Sensoren blir påvirket av målestørrelsen.

Nærhetsføling Nærhetsfølsomme sensorer føler uten at de berører føleobjektet. De kan føle magnetisme, elektromagnetisme, dielektrisitet, lys og lyd.

Sensor = et giverelement + en signalbehandler + en forsterker

De nærhetsfølsomme sensorene har flere fordeler sammenliknet med de mekaniske: • De har ingen bevegelige deler, og de tar liten plass. • De kopler om mye raskere. • De kan ha både analoge og digitale utganger. • De har nesten ubegrenset levetid.

Nærhetsfølsomme sensorer er bygd opp av et giverelement som gir et signal som er for svakt til å kunne påvirke noe. Det blir der­ for utvidet med en krets for signalbehandling og en forsterker.

Figur 3.2 Sensorens oppbygning med giverelement og krets for signalbehcmdl ing/forsterkn ing

De nærhetsfølsomme sensorene er elektroniske og helt uten be­ vegelige deler. I sensoren er det et halvlederelement som endrer resistans når sensoren for eksempel blir påvirket magnetisk. Halvlederelementet reagerer med å endre utsignalet. En PNP-sensor gir et positivt signal på utgangen, mens en NPN-sensor gir et nega­ tivt signal på utgangen. En lysdiode viser at sensoren er aktivert.

PNP-sensoren gir et positivt signal på utgangen

NPN-sensoren gir et negativt signal på utgangen

Figur 3.3 viser symbolet for den nærhetsfølsomme sensoren. I dette eksemplet reagerer sensoren på endringer i magnetfeltet, og derfor er magneten plassert ved siden av ruta. Spenningskilden er vanligvis på 24 V DC.

SENSORER

31

Sensoren kan maksimalt belastes med 150 mA. Dersom den blir utstyrt med en innebygd forsterker, taler den høyere belastning. Figur 3.4 viser hvordan sensoren blir koplet til spenningskilde og belastning. Oppbygningen av sensoren Delsymboler

[

Permanentmagnet

AvføLingsavstand Forsterker

Figur 3.3 Symbol for en nærhetsfølsom sensor med elektronisk forsterker for å tåle høyere belastning

Figur 3.4 Tilkopling av en nærhetsfølsom sensor til et relé. Dette er en PNPsensor, som gir positivt utsignal

Induktiv sensor Den induktive sensoren er bygd opp av oscillator, demodulator, trigger og utgangsforsterker. I den aktive overflaten på sensoren er det en elektrisk spole, og jo større spolen er, desto større rekke­ vidde har sensoren. Når sensoren er tilkoplet, blir det bygd opp et elektromagnetisk felt foran den aktive overflaten. Det oppstår ingen magnetisk kraft, men dersom det elektromagnetiske feltet blir forstyrret av en metallgjenstand (se figur 3.5), blir induktansen i spolen endret. Den demodulerte spenningen synker, og triggeren endrer sin statiske tilstand. Utgangsforsterkeren forsterker deretter signalet fra triggeren til et akseptabelt nivå.

32

SENSORER

Induktive sensorer egner seg svært godt ved automatisering. De kan føle posisjonen til armer, gripeklør, tannhjul og sylindrer, eller om det er materialer til stede. Ettersom det er magnetfeltet som er avgjørende for målingen, blir den ikke påvirket av skitne kompo­ nenter.

b)

Figur 3.5 Nærhetsfølsom giver med induktiv føling a) Induktiv sensor med fø­ le rplate og ulike bevegelsesretninger b) Symbol for sensor med PNP-utgang

Spenningskilden kan for eksempel være på 10-30 V DC. Maksimumsbelastningen varierer noe avhengig av utførelsen, men er ofte på ca 150 mA. En lysdiode (LED) på sensoren viser når den er aktivert. Også i dette tilfellet er det forskjell mellom PNP-sensorer, som gir positivt signal, og NPN-sensorer, som gir negativt signal på utgangen. Når vi monterer sensoren, bør vi kjenne avfølingsavstanden. Iblant blir den kalt koplingsavstanden. Med det mener vi avstanden (i mm) mellom den aktive overflaten til sensoren og en måleplate som vi beveger vinkelrett mot flaten. Den må være av 1 mm tykt stål og ha en bredde som er lik diameteren til den aktive flaten på sensoren. Se figur 3.6. Bevegelsesretning

Målingen skjer i det øyeblikket utsignalet endrer seg. Den opp­ målte avfølingsavstanden varierer mellom 1,5 og 15 mm for ulike sensorer og størrelser. Vi oppgir avfølingsavstanden uten hensyn til avvik i temperatur eller spenning.

Måleplate 1 mm

d Avfølingsavstand

Figur 3.6 Måling av avfølingsavstand

SENSORER

33

En sensor uten frisone kan monteres kant i kant med metall uten at egenskapene til sensoren endrer seg. Se figur 3.7. En sensor med frisone krever derimot en sone rundt den aktive flaten og oscillatorspolen. Se figur 3.8. Avstanden mellom senterlinjen til senso­ ren og metallet må være minst 1.5 ganger diameteren. Dybden på frisonen må være minst to ganger avfølingsavstanden.

Figur 3.7 Sensor uten frisone

Figur 3.8 Sensor med frisone

Kapasitiv sensor Den kapasitive sensoren er bygd opp rundt en elektrisk spole og en oscillator som er følsom for kapasitanser. Når en gjenstand av for eksempel metall, plast, glass eller vann passerer, reagerer sen­ soren. Kapasitansen endrer seg, og oscillatoren i den innebygde elektronikken begynner å svinge. Signalet fra oscillatoren blir likerettet og forsterket, og blir deretter sensorens utsignal. Metal­ ler og fuktige objekter gir bedre reaksjon enn porøse eller tørre materialer. En bør likevel være forsiktig med å bruke kapasitive givere i våte miljøer.

Vi måler avfølingsavstanden på samme måten som for den induk­ tive sensoren. Vi må bruke en metallplate med samme kantlengde som diameteren til den avfølende flaten.

34

SENSORER

Avstanden for driftsmessig avføling kan stilles inn på mellom 2,5 og 8 mm. Finjusteringen skjer elektrisk ved hjelp av et potensiometer som er tilgjengelig utenfra. Avstanden må justeres slik at den er nøyaktig så stor som den må være. Dermed sikrer vi oss mot at temperatur og fukt virker inn på målingen og forstyrrer den. Den kapasitive sensoren blir drevet med 10-40 V DC, og den blir også levert for 230 V AC. Den maksimale belastningen kan være helt opp til 400 mA.

Optisk sensor I fotoceller er det et lysfølsomt materiale som reagerer når det blir belyst med lyset fra en fotocellesender. Lyset som blir sendt ut, er vanligvis infrarødt og pulserende, og det belyser et større eller mindre område enn mottakeren har oversikt over. Figur 3.9 viser forskjellige muligheter.

Figur 3.9 Alternative metoder for fotoceller A) Enveisavføling B) Refleksavføling C) Direkte avføling D) Direkte avføling med bakgrunnsdemping E) Direkte avføling med fiberoptikk

SENSORER

35

Ved enveisavføling har vi to enheter som er montert på hver sin side av den gjenstanden som skal avføles. Den ene enheten er en lyssender og den andre en lysnwttaker. Mottakeren blir montert der avfølingen skal skje, og deretter blir senderen rettet inn så nøyaktig som mulig mot mottakeren. Når en gjenstand deretter passerer mellom sender og mottaker, blir lysstrålen brutt, og det blir blir indikert av mottakeren.

Ved refleksavføling er begge funksjonene samlet i en felles kapsel. En reflekterende speil er montert der avfølingen skal foregå. Der­ etter blir lysstrålen rettet fra senderen mot speilet, som reflekterer den til mottakeren. Når en gjenstand bryter lysstrålen, forsvinner den reflekterte strålen, og det blir indikert av mottakeren. Ved direkte avføling er senderen og mottakeren i samme kapsel. Senderen rettes mot den gjenstanden som skal avføles, og lys­ strålen blir kastet tilbake. Uten en gjenstand blir det ingen refleksjon. Når en gjenstand passerer, blir lysstrålen reflektert til mottakeren, som indikerer dette. Ved direkte avføling kan vi også la lysstrålen bli reflektert av en eller annen fast gjenstand i bak­ grunnen. Refleksen blir da ikke så sterk, men den er der hele tiden og føles av mottakeren. Når en gjenstand deretter passerer, blir refleksen mye sterkere, noe som indikeres av mottakeren.

Fiberoptikk har glass- eller plastfibrer som tåler høye temperatu­ rer, som lysleder. Lysstrålen blir ledet gjennom de tynne fibrene. Det kan være lang avstand mellom enheten og den avfølende de­ len. Dermed kan vi bruke denne målemetoden der det ellers er for trangt eller for varmt. Fiberoptikk er å anbefale når det er små gjenstander som skal avføles.

Fiberoptikk kan ikke brukes i miljøer der fibrene kan bli utsatt for vibrasjoner og stadige bevegelser. Da kan de bli utmattet, og etter en tid bryter de sammen.

36

SENSORER

Turtallsmåler Det vanligste og sikreste måleprinsippet for turtallsmåling er å føle endringene i et elektromagnetisk felt. På den roterende ak­ selen monterer vi en pulsgenerator, en tannhjulsformet rotor. Vi monterer sensoren, som består av en spole med en permanentmagnet, ved siden av rotoren. Se figur 3.10. Når en tann på hjulet passerer sensoren, blir magnetfeltet forsterket, og det blir indusert en spenning i spolen. For hver tann som passerer, blir det indusert en spenningspuls. Antall pulser i pulstoget som sensoren avgir, er avhengig av turtallet på akselen.

Tannhjul og sensor er ofte sammenbygd til en enhet som da blir kalt takometer eller, som i dette tilfellet, pulstakometer. Vi kan også måle turtallet ved hjelp av en liten generator. Måle­ prinsippet bygger på at det blir indusert en elektromotonsk spen­ ning i en leder når et magnetfelt passerer. Rotoren består ofte av permanentmagneter, og når den roterer, blir det indusert en ems i statorviklingen. Den spenningen som takometergeneratoren avgir, er direkte proporsjonal med turtallet på den roterende akselen.

Figur 3.10 Prinsippet for turtallsmåling a) Pulstakometer b) Takometergenerator

SENSORER

37

Sensorer i praktisk bruk Vi skal se nærmere på noen eksempler med sensorer i praktisk bruk.

Lagerhåndtering Figur 3.11 viser et eksempel på installasjon av sensorer. De kan være induktive, kapasitive eller optiske avhengig av hvilket ma­ teriale som skal avføles. Når et avfølingsobjekt passerer, reagerer den kapasitive og den optiske sensoren på alle gjenstander. Den induktive sensoren brukes når det er metall i gjenstanden som skal avføles. Den optiske sensoren erstatter mer og mer den kapasitive sensoren.

Figur 3.11 Eksempel på installasjon av sensorer

38

SENSORER

Automatisk bilvask I vaskeautomater er det fotoceller som blant annet føler når bilen kjører inn. Vi bruker her enveisavføling med to enheter som er montert på hver sin side av portalen. Fotocellene blir brukt til • avføling av bilens posisjon når den kjører inn i vaskeautomaten. Et lyssignal skifter fra grønt til rødt når bilen er i riktig posisjon. Vaskeprogrammet kan bare starte når lysstrålen mellom sender og mottaker blir brutt, det vil si når bilen står i riktig posisjon • skifte av portalens kjøreretning når den har passert bilen og står bak den

Fotocelle i portalen

Figur 3.12 Fotocellerføler bilens posisjon i et bilvaskanlegg

SENSORER

39

------- „

———

—jgy*

Norsk-engelsk hjørne føler

sensing element

sensor

sensor

direkte føling

direct sensing

nærhetsfølsom avføling

proximity sensing

magnetstempelsensor

magnetic piston sensor

permanentmagnet

permanent magnet

induktiv sensor

inductive sensor

kapasitiv sensor

capacitive sensor

optisk sensor

optosensor

fotocelle

photocell

fiberoptikk

fibre optics

refleksavføling

reflex sensing

Kontrollspørsmål 1 Hva er forskjellen mellom direkte påvirkning og nærhetsavføling? 2 Hvilken sensor, den induktive eller den kapasitive, reagerer på alle materialer?

3 Nevn minst tre forskjellige måter å montere fotoceller på.

4 Gjør rede for avfølingsavstanden til en sensor.

Oppgaver 3.1 -3.18

40

SENSORER

MOTOREN

Motorkraft - en del av hverdagen Vi bruker elmotorer i mange sammenhenger for å gjøre daglig­ livet lettere. Vi finner dem i boligen, på jobben, i skolen og i sam­ funnet ellers.

Elmotoren er en elmaskin som omformer elektrisk energi til mekanisk energi.

I boligen I boligen blir elmotoren blant annet brukt

• i husholdningsmaskiner, oppvaskmaskiner, vaskemaskiner og støvsugere • i skjønnhets- og hygieneapparater til tannbørsting, barbering og hårtørking

• til å gjengi musikk i cd-spillere • til å stille inn parabolantenner • i noen hus til å pumpe vann fra vanninntaket til vann­ kranen

/V'M/ HAT BRAVO l-LASH: 8().00()Fd'cquipcments ;’r:ituits.

TNew Town 02/646 04 60

Figur 4.1 a) Skiltet blir drevet av en elmotor som er kombinert med et snekkedrev. Skiltet er bygd opp av roterende prismestaver og skifter bilde under rotasjonen b) Parabolantenner som kan dreies, har en motor som blir styrt med en fjernkontroll c) Elmotoren som driver reklameskiltet

42

MOTOREN

På jobben og i skolen

I samfunnet

På jobben blir elmotoren blant annet brukt

I samfunnet blir elmotoren blant annet brukt

• til å bearbeide emner i maskiner ved fresing, sliping, høvling osv.

• til å starte bilmotoren

• i forskjellige håndverktøy som bormaskiner, slipemaskiner og poleringsmaskiner

• til å drive tog og trikk

• til drift av heiser og i rulletrapper • til å dreie reklameskilt og speilene i fyrlykter

• til papirmating i kopieringsmaskiner • til å drive transportbånd, sager, pumper osv. i produksjon • til å drive vifter i ventilasjonsanlegg • til å drive trucker

Induksjon Når en leder beveger seg i et magnetfelt, eller når vi endrer styrken på magnetfeltet, blir det indusert elektromagnetisk spenning (ems).

Figur 4.2 Forskjellig bruk av elmaskiner a) Transformator b) Motor

Når en spenning blir transformert, blir den overført fra primærsiden til sekundærsiden. På figur 4.2 ser vi at det er et ulikt antall vindinger på de to viklingene. På den måten kan vi omforme en høy spenning til en lavere spenning, eller omvendt. Den induserte emsen e beregner vi etter formelen e=B•v•l I en del elektriske motorer utnytter vi effekten mellom to roteren­ de magnetfelt. Det danner seg først et magnetfelt i statoren. Mag­ netfeltet induserer en ems i rotorviklingene som så bygger opp sitt eget magnetfelt. Når magnetfeltet til statoren dreier rundt, vil også magnetfeltet til rotoren følge med rundt, og motoren roterer! Rotorvi kling

MOTOREN

43

Magnetisk kraft Når en strømførende leder befinner seg i et magnetfelt, blir den påvirket av en kraft. Denne kraften virker vinkelrett på fluksretningen. Kraften er avhengig av flukstettheten B. strømmen i og lederlengden /.

Kraft (F)

Vi beregner den elektromotoriske kraften i newton (N) etter formelen:

F = B • i -l

På figur 4.4 ser vi at begge magnetene sitter fast, mens lederen kan bevege seg. Når det går en strøm gjennom lederen, utvikler den en kraft. Kraftretningen finner vi ved hjelp av høyrehåndsregelen. De to magnetfeltene til permanentmagneten og lederen virker i samme retning på den ene siden og i motsatt retning på den andre siden. Feltet blir svekket på venstre side, og lederen beveger seg derfor mot venstre og ut av magnetfeltet.

En del elektriske motorerer bygger på prinsippet om kraftvirkningen mellom et magnetfelt og en strømførende leder. Med konstruksjonen på figur 4.3 blir den magnetiske kraften ikke særlig stor. I en virkelig motor er det derfor spoler med mange vindingen

Her skal vi se nærmere på vekselstrømsmotoren.

44

MOTOREN

Figur 4.4 Kraftvirkningenfor strømførende ledere i et magnetfelt

Vekselstrømsmotoren I elektroteknikken blir motoren brukt til å drive forskjellig utstyr. En motor består av en stamme med en stillestående stator og en rotor som er bygd opp rundt en aksel. Akselen er lagret på begge sider slik at rotoren kan rotere inni statoren. Se figur 4.5.

Vekselstrømsmotor = vs-motor

Figur 4.5 Hoveddelene i en motor

Både statoren og rotoren inneholder jern som sammen med strømførende viklinger bygger opp ett magnetfelt i statoren og ett i rotoren. De to magnetfeltene virker i samme retning ved at de går gjennom luftgapet mellom statoren og rotoren.

Styrken på magnetfeltet er først og fremst avhengig av strømmen gjennom statorviklingen. Når strømmen varie­ rer, varierer også styrken på magnetfeltet. I statoren er det en ekstra vikling som gir magnetfeltet et dreiemoment slik at det begynner å rotere. Den motoren som er beskrevet ovenfor, er en trefasevekselstrømsmotor. Den utnytter induksjonen for å skape en strøm i rotorens retning.

Figur 4.6 Statorspolene i en trefaseinduksjonsmotor

Det er relativt enkelt å bygge motorer for trefasedrift, og det er og­ så en stor fordel at kraftforsyningen for en stor del bygger på trefasenett. Med moderne kraftelektronikk er det i dag lettere å starte og turtallsregulere vekselstrømsmotoren

MOTOREN

45

Dreiemoment Motoren utvikler et kraftmoment som svar på den magnetiske fluksen i jernkjernen og strømmen i motorviklingene. Ettersom rotoren er lagret, blir det også utviklet et dreiemoment som også er avhengig av turtallet. Dreiemomentet til en stillestående induksjonsmotor er 0. Ved start blir det utviklet et startmoment Mt . Dette momentet akselererer med økt turtall til en maksimumsverdi før det igjen minker.

Når motoren blir belastet, synker turtallet. For en induksjons­ motor betyr det at det blir vanskeligere for rotoren å følge med når magnetfeltet til statoren fortsetter å rotere med samme hastighet. Etterslepet eller sakkingen blir større, og dermed øker den indu­ serte spenningen og strømmen. Dreiemomentet øker til det igjen blir likevekt mellom belastningen og dreiemomentet.

Dreiemomentet er avgjørende for dimensjoneringen av en motor. Det gjelder særlig startmomentet, som kan være mye større enn momentet som er stemplet på motoren. En vekselstrømsmotor skal kunne utvikle et maksimumsmoment som er minst 60 % høyere enn ved fullast.

46

MOTOREN

Overføring Overføringer (transmisjoner) blir brukt når vi vil endre turtallet eller dreiemomentet. Vanligvis minsker vi turtallet og øker dreie­ momentet, for eksempel for å kunne få en stor masse til å rotere med relativt lav hastighet. Nedenfor beskriver vi noen måter vi kan endre utvekslingen til motorakselen på.

Transmisjon ~ overføring

Tannhjulsvekselen er den vanligste ved enkle lavdynamiske bruksområder. Den har sylindriske tannhjul og en eksentrisk akselutgang. Tannhjuls­ vekselen leveres med mange forskjellige utvekslinger, og den har høy virkningsgrad. Tannhjulene må imidlertid være kraftige, fordi den bare har ett inngrep for hvert trinn. De store tannhjulene gjør at den får større dimensioner enn On^kehg. J r &

Planetvekselen har svært høy virkningsgrad og sent­ risk akselutgang. Planetvekselen er mindre enn tannhjulsvekselen og kan bygges inn i motorhuset. Den tåler vanligvis store momenter fordi den har tre symmetriske tanninngrep i hvert trinn. Konstruksjonen gir en kompakt utførelse.

Figur 4.10 a Tarmhjulsveksel

Figur 4.10 b Planetveksel

Snekkevekselen blir brukt ved vinklet utgang, for eksempel når akselen skal drive et objekt som er plassert vinkelrett på motoren. Lydnivået er høyt, men spillerommet øker med tiden. Virknings­ graden er lav. Figur 4.10 c Snekkeveksel

MOTOREN

47

Reimdrift er et godt alternativ ved små utvekslinger. Fordelen er at vi lettere kan plassere motoren ved siden av objektet.

Figur 4.10 d Reimdrift

På store motorer er det et bedre alternativ å regulere turtallet. Girboksen blir da erstattet av en direkte forbindelse mellom motoren og objektet. Med turtallsregulering kan vi samtidig tilpasse den tilførte effekten til det virkelige behovet i hvert tilfelle.

Trefasemotoren - den vanligste asynkronmotoren Asynkronmotoren er en motor med rotoren på slep. Sakking er en forutsetning for at rotoren i det hele tatt skal rotere. Sakkingen er nødvendig for at induksjonen skal skape virvelstrømmen i rotoren. Virvelstrømmen skaper i sin tur strømkraft og rotasjon. I en asynkronmotor har derfor rotoren alltid lavere hastighet enn den hastigheten magnetfeltet til statoren roterer med.

Betegnelsen asynkron har moto­ ren fått fordi den ikke roterer med det synkrone turtallet som følger nettfrekvensen.

Ubelastet er hastigheten nesten lik den synkrone hastigheten, mens rotorhastigheten ved belastning bare er ca. 95 % av den syn­ krone hastigheten. For store maskiner kan sakkingen være 2 %, mens den for små motorer kan være opptil 7 %. Asynkronmotoren er den mest brukte motoren av alle. Den er en­ kel, billig og driftssikker og krever et minimum av vedlikehold.

Vekselstrømsmotorens konstruksjon Vekselstrømsmotorer blir levert for enfase-, tofase- og trefasedrift og i mange forskjellige effektklasser. Noen av dem er synkronmotorer med et nettavhengig turtall, men de fleste er asynkron­ motorer med et turtall som er avhengig av belastningen, poltallet og frekvensen. Motorene blir produsert for forskjellige driftstyper, for eksempel om de skal brukes i intermittent eller kontinuer­ lig drift. De blir også utført for forskjellige beskyttelsesklasser (IP-grad) avhengig av miljøet de skal brukes i. Felles for disse motorene er at de har to hoveddeler: statoren, som er fastmontert og stillestående, og rotoren, som roterer inne i statoren. De to del­ ene utgjør til sammen en magnetisk krets, men de er skilt med et luftgap. 48

MOTOREN

Kontinuerlig drift = uavbrutt, fortløpende drift

Intermittent drift = avbrutt drift, den kommer igjen etter et visst opphold

a)

Statoren Statorviklingene på figur 4.11 er tre separate vi kli nger som innbyrdes er 120° faseforskjøvet. Sammen med statorstammen danner viklingene seks poler.

Ul

@=

wi

©

U2 ©: Figur 4.11 Statorvikling for trefasemotor a) Tre faser og seks uttak b) Uttaksmerking for vikling med seks uttak

Når statorviklingene blir koplet til et trefasenett, flytter magnet­ feltet seg mellom polparene i takt med nettfrekvensen. Veksel­ strømmen fra nettet roterer så rundt i statoren. Dersom vi plasserer en magnetnål inni rotoren slik at magnetfeltet flyter gjennom den, vil den følge med i rotasjonen. Wl

Figur 4.12 Trefasespenning koplet til statoren. Magnetnålen viser hvordan magnetfeltet til statoren roterer med synkron hastighet

Turtallet som magnetfeltet til statorviklingen roterer med, kaller vi et synkront turtall. Dette turtallet blir bestemt av antall poler.

MOTOREN

49

Vi kan beregne turtallet i omdreininger per minutt etter formelen:

der n = det synkrone turtallet

Poler

Turtall

2

3000

4

1500

6

1000

8

750

10

600

f - frekvensen

p = antall poler i en fase Med seks poler og nettfrekvensen 50 Hz får motoren et synkront turtall på 1000 o/min. Med to poler blir turtallet 3000 o/min.

Burviklet rotor Rotorkjernen blir stadig utsatt for ommagnetiseringer, og kjernen er derfor bygd opp av tynne plater som er isolert fra hverandre. Lederne i viklinge­ ne blir lagt inn i spesielle spor i rotoren. Viklinge­ ne står i aksielle spor med ledende staver av kopper eller aluminium. Stavene er sammenkoplet i begge ender av rotoren. Se figur 4.13. Denne utførel­ sen blir kalt en burvikling, og den blir framstilt ved støping i en form. Elektrisk sett er burviklingen kortsluttet, men i sta­ vene blir det skapt tilstrekkelig med virvelstrømmer til å bygge opp magnetfeltet til rotoren. Med en slik kortsluttet rotor er det ikke behov for en ytre strøm­ forsyning til rotoren. Strømmen blir skapt av det roterende magnetfeltet til statoren, og via forskjel­ lige fysiske lover oppstår det et dreiemoment på ak­ selen til rotoren, det vil si motorakselen.

Vekselstrømsmotoren er en induksjonsmotor som vil rotere fordi: •

Vekselstrømmen gjennom statorviklingen skaper et roteren­ de magnetfelt som også dekker rotoren.

•

Endringene i magnetfeltet skaper virvelstrømmer i rotorviklingene.

•

Virvelstrømmene i rotoren skaper et magnetfelt i rotoren.

Vi har nå to magnetfelt. Magnetfeltet til statoren roterer etter nettfrekvensen og antall poler. Rotoren blir tiltrukket av magnet­ feltet og forsøker å henge med i rotasjonen.

50

MOTOREN

Figur 4.13 To ulike rotorer a) Rotor med vikling og platestamme, b) Rotor uteri platestamme

o

A tolke merkeskilt Med merking mener vi symboler og ord som beskriver en kompo­ nent eller et apparat. En motor må merkes fordi det fins en masse ledninger som er viklet på en bestemt og planlagt måte. Vik­ lingene skal kunne koples i stjerne eller trekant slik at de er til­ passet nettspenningen. Delte viklinger og viklinger for forskjel­ lige rotasjonshastigheter forekommer også. Merkingen av utta­ kene til en motor angir hvordan den ser ut inni, og hvordan den skal kjøres.

For merking av uttakene og viklingene på en motor gjelder disse reglene: • Vekselstrømsviklinger blir merket med de siste bokstavene i det engelske alfabetet, mens likestrømsviklinger blir merket med de første bokstavene i alfabetet.

• Endeuttak og midtuttak får et siffer etter bokstaven, for eksempel U1,U2 og U3. • Deler av den samme viklingen får et siffer foran bokstaven, for eksempel 1U, 2U og 3U. Opplysningene på merkeskiltet til en motor kaller vi merkedata. Se merkeskiltet på figur 4.14.

Figur 4. ]4 På merkeskiltet til motoren finner vi alltid opplysninger om motortypen, turtallet, tilkoplingsspenningen, strømmen, isolasjonsklassen og effektfaktoren

Legg merke til at spenning og strøm er angitt for både stjernekopling og tre ka ntko pling.

MOTOREN

51

Spenning og frekvens For å drive en motor må vi ha tilgang til et nett med en viss spen­ ning og frekvens. Alle andre data på merkeskiltet gjelder ved opp­ gitt merkespenning (hovedspenning) og merkefrekvens. Avvik fra nettspenningen eller nettfrekvensen påvirker altså de andre verdi­ ene. Dersom for eksempel spenningen avviker fra merkespenningen, blir dreiemomentet, turtallet, virkningsgraden og effektfaktoren påvirket.

Fasene i et trefasenett blir betegnet L1, L2 og L3. En trefasemotor som skal koples til, har tre viklinger som er trukket fram til uttaksboksen (koplingsboksen) på motoren. Der er det seks koplingsklemmer. Endeuttakene til de forskjellige viklingene er mer­ ket Ul og U2, VI og V2 og W1 og W2. Den samme merkingen finner vi i uttaksboksen. Grunnen til at det er seks uttak for tilkopling av tre faser, er at motorviklingene kan koples på for­ skjellige måter avhengig av hvilken nettspenning motoren skal koples til. En trefasemotor som går med én hastighet, kan vanlig­ vis koples til to nettspenningen

Figur 4.15 Tilkoplinger til en trefasemotor

Stjernekopling I et trefasenett kan det være fire eller fem ledninger, tre faseledere og en PE-leder eller en nulleder. Nettspenningen mellom to faser er lik 400 V. Mellom hver fase og nullederen er spenningen 230 V. Dersom hver ende av motorviklingen -Ul og U2 - kan koples til en spenning på 230 V og trefasenettet har en spenning på 400 V mellom fasene, velger vi stjernekopling (Y-kopling). Den ene en­ den av de tre motorviklingene danner et felles nullpunkt, mens den andre enden av viklingene koples til de tre fasene. Ved til­ kopling til et trefasenett med nettspenningen 400 V får hver vikling fasespenningen 230 V. Vi sier at motoren er stjernekoplet.

52

MOTOREN

På merkeskiltet leser vi av hvordan motoren skal koples til for eksempel 230 V i en D-kopling og til 400 V i en Y-kopling.

Dersom en motor blir montert slik at merkeskiltet ikke er tydelig, skal en montere enda et skilt i nærheten av motoren.

Trekantkopling Den samme motoren kan koples til et trefasenett med spenningen 230 V mellom fasene. Vi velger da en kopling der motoren blir koplet til fasene i nettet uten nulleder. Motorviklingene er nå koplet i en trekant. Koplingen blir derfor kalt trekantkopling (Dkopling).

Forholdet mellom spenningene 400 V og 230 V er ^/3

O Ul

Rotasjonsretning

O

O

VI

W1

Figur 4.16 b Med koplingsskinnene i forskjellige stillinger blir viklingene på en enhastighetsmotor koplet i D eller Y

Kopler vi en motor med tre viklinger U, V og W til et trefasenett der faserekkefølgen i nettet er LI, L2 og L3, vil motoren rotere med urviseren sett fra akslingen. Ønsker vi motsatt rotasjons­ retning, bytter vi om to av de tre ledningene som er koplet til startapparatet eller motoren. D-ende - drive end N-ende - non-drive end

Rotasjonsretningen skal være med urviseren når bokstavrekkefølgen for merkingen av uttakene for fasene tilsvarer tidsrekkefølgen til spenningen ved uttaket.

Dersom det kan være fare for personskade hvis en endrer rotasjonsretningen, skal det være montert en godt synlig pil ved motoren som viser riktig rotasjonsretning.

MOTOREN

53

Det er ikke alltid så lett å se forskjellen på en D-ende og en Nende. Da gjelder disse reglene: Dersom maskinen har:

• en eller to synlige akselender. er rotasjonsretningen den vi ser når vi ser mot akselenden eller mot akselenden med den største diameteren to synlige akselender med den samme diameteren og ingen synlig akselende, ser vi rotasjonsretningen i den enden som ikke har kommutator eller sleperinger en kommutator i den ene en­ den og sleperinger i den andre, ser vi rotasjonen i enden med sleperinger

I de tilfelle vi er i tvil, har produsenten til vanlig merket rotasjonsretningen.

Strøm Ved normal drift har motoren en arbeidsstrøm som gjelder ved merkedrift. Den blir derfor også kalt merkestrøm. Ved start er strømforbruket høyere. Startstrømmen kan for eksempel være 120 % av merkestrømmen.

Når vi starter motoren, blir nettspenningen koplet til statorviklingen. Dersom startstrømmen ikke blir for høy ved direkte start, er det tilstrekkelig å kople motoren til nettet via en startkopler. Det bør likevel finnes en ekstra sikkerhet, for eksempel automatisk utløsning ved for høyt strømuttak. Dersom startstrømmen er for høy for denne tilkoplingen, kan det være et alternativ å kople via en stjerne-Ærekantbryter.

Figur 4.18 Startstrøm og moment som funksjon av turtallet for en trefasevekselstrømsmotor

54

MOTOREN

4.17 Motoren roterer medurs eller moturs

Effekt Effekten P er et uttrykk for det arbeidet W som blir utført i løpet av en bestemt tid t. Sammenhengen mellom disse størrelsene er

W P=~ t

Med merkeeffekten til en motor mener vi den avgitte akseleffekten ved angitt merkestrøm. Vi angir akseleffekten i watt (W) eller hestekrefter. 1 hk = 746 W. For å få ut en bestemt akseleffekt trenger vi en høyere tilført ef­ fekt. En del av den tilførte effekten går nemlig tapt i form av tap ved friksjon i lagrene, ledningsresistansen. magnetiseringstap i jernet og kjøle viften for motoren. Kaller vi den tilførte effekten P{, akseleffekten P og tapseffekten P , får vi dette forholdet: Pa = P-P t t TiLlført effekt

Figur 4.19 Mesteparten av den tilførte effekten blir omformet til akseleffekt, men friksjon, resistans, jern og ventilasjon fører til effekttap

Akseleffekten til en motor blir utviklet av turtallet og dreiemo­ mentet på akselen. Kaller vi akseleffekten P, turtallet n og dreie­ momentet M og omregningsfaktoren er lik 9,55, får vi denne formelen:

Motoren forsøker alltid å gjøre det arbeidet den blir «pålagt».

n■M

9,55 MOTOREN

55

For å kunne beregne dreiemomentet må vi kjenne kraften F som motoren utvikler, og den virksomme radien r på akselen, som eventuelt inkluderer en reimskive. M = Fr

Motoren utvikler nøyaktig så mye effekt som den drevne maski­ nen trenger. Dersom motoren for eksempel har en merkeeffekt på 1 kW, kan det virkelige effektuttaket være 0.85 eller 1,15 kW. Med en kontinuerlig overbelastning på 15 % vil motoren fungere dårlig etter en tid. Den bør derfor utstyres med et overlastvern som kopler den ut dersom effektuttaket blir for stort.

Rotoren stopper dersom det bremsende momentet blir for stort og den roterende fluksen ikke orker å overvinne det.

Moment = produktet av en kraft og en strekning.

Figur 4.20 Motorens akseleffekt P er et resultat av motorens turtall og dreiemoment M. Motorens overlastvern beskytter mot for stort effektuttak

Effektfektor Effekten som den resistive delen av motoren forbruker, kaller vi aktiv effekt P. Men i de forskjellige viklingene i motoren er det en induktiv del. Effekten som den induktive delen forbruker, i hoved­ sak til magnetisering, kaller vi reaktiv effekt. Vi ønsker selvfølge­ lig at den reaktive effekten skal være så liten som mulig i forhold til den aktive effekten.

Figur 4.2] Måling av spenning, strøm, aktiv og reaktiv effekt i en enfasevekselstrømsmotor

56

MOTOREN

Vi har også en tilsynelatende effekt S. Sammenhengen mellom disse effektene er uttrykt i formelen

S2 = P2 + Q2 Sammenhengen mellom aktiv, reaktiv og tilsynelatende effekt går tydelig fram av vektordiagrammet (effekttrekanten) på figur 4.21. Forholdet mellom den aktive og den tilsynelatende effekten kaller vi effektfaktoren. Den har betegnelsen cos cp, og ligger for motorer vanligvis mellom 0,7 og 0,9. Små motorer kan ha lavere effektfaktor, mens den kan være høyere for store motorer.

Figur 4.22 Vektordiagram (effekttrekant) som viser sammenhengen mellom aktiv, reaktiv og tilsynelatende effekt ved resistiv og induktiv belastning. Effektfaktoren = cos (p = P/S

Effektfaktoren kan forbedres i en krets med stor induktiv belast­ ning. Ved å kople inn en kondensator kan vi kompensere for faseforskyvningen.

Turtall Betegnelsen asynkronmotor har sammenheng med at turtallet til motoren avviker fra det synkrone turtallet. For at vi skal få den induksjonen som er nødvendig for å danne virvelstrømmer i ro­ toren, må vi ha et visst etterslep. Det er virvelstrømmene som ska­ per strømkraft og rotasjon. I en asynkronmotor er rotorhastigheten alltid lavere enn den synkrone hastigheten. Vi sier at rotoren sakker. Dersom vi kaller det synkrone turtallet ns og det asynkrone turtallet rza, får vi sakkingen 5 etter formelen

S==ns~na

ns

Figur 4.23 Motor der statorens magnetfelt roterer, og rotoren sakker for å bygge opp et eget magnetfelt

Kopler vi en vekselstrømsmotor med to poler til et 50 Hz-nett, får den et turtall på 3000 o/min. Øker vi polantallet til seks, blir tur­ tallet 1000 o/min. Turtallet blir mindre når vi øker tallet på poler. Turtallet øker derimot når nettfrekvensen øker. Det vil si at tur­ tallet er høyere når nettfrekvensen er 60 Hz, enn når den er 50 Hz. På en mindre motor med synkront turtall 1000 o/min måler vi turtallet til 950 o/min. Etter formelen blir da sakkingen 5 %. MOTOREN

57

Virkningsgrad Elektriske motorer omformer elektrisk energi til mekanisk energi. Virkningsgraden er et mal på forholdet mellom den effekten P som motoren avgir på motorakselen, og den effekten P som motoren får tilført.

Virkningsgraden har betegnelsen r| (eta), og vi får:

Vær oppmerksom på at virkningsgraden gjelder ved merkedata. Store motorer har høyere virkningsgrad enn små motorer.

De ulike tapene skyldes blant annet varmetapet gjennom statorog rotorviklingene. Når strømmen passerer gjennom viklingene i statoren og rotoren, oppstår det elektriske tap i form av varme. Ikke bare blir maskinen varm, virkningsgraden blir også lavere. Det er også jerntap i statoren på grunn av den kontinuerlige ommagnetiseringen. Friksjonen i rotorens lagre gir også tap.

De elektriske tapene i statoren og rotoren er avhengig av belastningsstrømmen og øker med stigende temperatur. Virkningsgraden er ca. 80 % for små motorer og øker til opp mot 98 % for store motorer. Den tilførte effekten minker på grunn av ulike tap før den blir overført som mekanisk dreiemoment.

30 %

Figur 4.24 Elektriske motorer har høyere virkningsgrad enn bensinmotorer og dampmaskiner

58

MOTOREN

20 %

omforme

transform, convert

energi

energy

induksjon

induction

elektromotorisk kraft, ems

elektromotive force, emf

vekselstrømsmotor

alternating current motor

dreiemoment

torque

gir, tannhjulsveksel

gear

asynkronmotor

asynchronous motor

antall poler

number of poles

burviklet rotor

squirrel-cage

sakking

slip

merkeskilt

nameplate

stjernekopling

star-connection

trekantkopling

delta-connection

turtall

rounds per minute r/m

virkningsgrad

efficiency of machine

Oppgaver 4.1 - 4.22

Kontrollspørsmål 1

Gjør rede for asynkronmotorens konstruksjon.

11 Hvorfor trenger en enfasemotor starthjelp?

2

Hvordan blir turtallet til en motor påvirket av poltallet til statoren?

12 Hva er det minste antallet poler vi kan ha i en tofasemotor?

3

Hvordan leser vi normalt av rotasjonsretningen til en motor?

13 Hvordan skal viklingene merkes i en vekselstrømsmotor og i en likestrømsmotor?

4

Gjør rede for tapene som oppstår i et motoranlegg.

14 Hvilke tap oppstår i en motor?

5

Gjør rede for hvordan effektfaktoren henger sammen med den aktive, den reaktive og den tilsynelatende effekten.

16 Hva er forskjellen i turtall mellom en synkronmotor og en asynkronmotor?

6

Hvordan blir det skapt en magnetisk kraft når en strøm flyter gjennom en leder?

7

Nevn minst fem forskjellige hoveddeler som en motor er bygd opp av.

8

Forklar forskjellen mellom en vekselstrømsmotor og en likestrømsmotor.

9

Forklar hvordan statoren og rotoren er bygd opp i en trefaseasynkronmotor.

15 Gjør rede for begrepet tilsynelatende effekt.

10 Hvordan blir det skapt et roterende magnetfelt i statoren på en trefasemotor?

MOTOREN

59

LOVER OG FORSKRIFTER

• hvordan du skal finne fram til de delene i FEB som har med motoranlegg å gjøre

Du har nå lært hvordan strøm og spenning virker på resistorer, kondensatorer, spoler og andre elektriske komponenter. Du har også lært mye om hvordan det går an å styre strøm og spenning. Ettersom elektrofaget er et forholdsvis nytt fag, var lovverket for bransjen i begynnelsen av dette århundret mangelfullt og ufull­ stendig. Til sammenlikning har tømrerne og murerne hatt lover og forskrifter i mange hundre år. Lovene blir stadig revidert, og de som skal arbeide i elektrofaget, må holde seg oppdatert.

Innledning I et moderne samfunn fins det en rekke lover og forskrifter, et regelverk, som vi må forholde oss til. Det fins også en rekke lover som gjelder arbeidslivet, og de er laget for å sikre så gode forhold som mulig på arbeidsplassen. Arbeidsmiljøet er viktig for oss, for trivsel, helse og sikkerhet. Det viser seg at det er en klar sammen­ heng mellom arbeidsmiljø og produktivitet.

Stortinget vedtok i 1977 en egen lov om arbeidsmiljø. Arbeids­ miljøloven gir regler om ansettelse, permitteringer, oppsigelser, lønnsutbetaling, arbeidstid, overtid, pauser og fritid.

NORGESNYTT

AVISEN 27800 skadde hvert år

51 DØDSFALL Figur 5.1

Alle arbeidsplasser skal ha et verneombud som er valgt av de an­ satte. Verneombudet representerer de ansatte i saker som gjelder arbeidsmiljøet i videste forstand. Det kan være alt fra inneklima, farlige maskiner og stoffer til forholdet mellom ledelse og ansatte.

Noen lover og forskrifter gjelder spesielt elektrobransjen og er la­ get for å unngå eller redusere tallet på skader og ulykker. Sta­ tistikken viser at en rekke skader kunne vært unngått dersom en hadde fulgt retningslinjene i forskriftene. I 1996 ble det totalt meldt om 27 779 skader og 51 dødsfall i arbeidslivet. I elektro­ bransjen ble det meldt om 43 skader og tre dødsfall. Det er også en rekke lover, forskrifter, normer og direktiver som gjelder for elektriske anlegg. Vi har disse forskriftene:

FEB Forskrifterfor elektriske bygningsinstallasjoner

Forskriften gjelder for elektriske vekselstrømsanlegg (AC) inntil 1000 V og for likestrømsanlegg (DC) inntil 1500 V. Den fastsetter krav til materiell og installasjonsmåter, hvordan anleggene skal sikres og beskyttes, hvem som kan utføre installasjoner, og hvem som har ansvaret for at anlegget er utført i samsvar med lovene (samsvarserklæring).

Figur 5.2

LOVER OG FORSKRIFTER

6I

om^l-9^annin9 ForsKriAM

FORSKRIFT^ E°R ~./C

Figur 5.3

FEA - F Forskrifter for elektriske anlegg - forsyningsanlegg

Denne forskriften gjelder for elektriske anlegg for produksjon, overføring og fordeling av elektrisk kraft.

FEA - M Forskrifter for elektriske anlegg - maritime installasjoner Forskriften omfatter elektriske anlegg om bord i norskregistrerte skip og borefartøy og plattformer på norsk kontinentalsokkel. SL Forskrifter for elektriske anlegg - Sikkerhet ved arbeid i lavspenningsanlegg

Forskriften omfatter ansvarsforhold, prosedyrer, sikkerhetstiltak i forbindelse med arbeid på eller nær lavspenningsanlegg.

DH Driftsforskrifterfor høyspenningsanlegg Denne forskriften omfatter ansvarsforhold, prosedyrer, sikkerhetsog beredskapstiltak i forbindelse med arbeid på eller nær ved høyspenningsanlegg.

62

LOVER OG FORSKRIFTER

FEU Forskrifter om elektrisk utstyr Forskriften fastsetter krav til utførelse av materiell som skal brukes i elektriske anlegg.

FFU Forskrifter om faglig utdanning Denne forskriften fastsetter kvalifikasjonskrav til dem som skal stå for utførelse, drift og reparasjon av elektriske anlegg.

Produkt- og elektrisitetstilsynet (PE) har ansvar for informasjon om forskriftene, revisjoner og nyutgivelser og for samordning med det internasjonale regelverket av forskriftene. Det lokale eltilsynet (DLE) foretar stikkprøver og tilsyn med elektriske anlegg og kontroll av elektriske anlegg og elektrisk utstyr. Det lokale eltilsynet har også en viktig oppgave som råd­ giver når det blir installert elektriske anlegg. Figur 5.4

Krav til motoranlegg Vi skal se på noen krav i Forskrifter for elektriske bygningsin­ stallasjoner (FEB) til motoranlegg.

Kapslingsgrader I § 202 blir kapslingsgradene definert. Her finner du hvilke krav som gjelder for det elektriske utstyret som skal være tett mot inntrenging av faste legemer og vann. Kapslingsgraden blir angitt med bokstavenene IP (engelsk: International Protection) etter­ fulgt av to sifre. Det første tallet angir graden av beskyttelse mot berøring eller inntrenging av faste legemer, for eksempel støv. Det andre sifret angir graden av beskyttelse mot inntrenging av vann. Et elektrisk anlegg uten beskyttelse har kapslingsgraden IP00. Et anlegg som kan senkes i vann, har kapslingsgraden IP 68.

Figur 5.5 Byggesikringsskap

LOVER OG FORSKRIFTER

63

Sikkerhetstiltak Del 4 i forskriften inneholder en del sikkerhetstiltak som skal be­ skytte mennesker og materiell mot skader. Det er blant annet krav til • vern, for eksempel sikringer og termisk vern • beskyttelse mot overbelastning • bruk av sikkerhetsbryter • bruk av nødstoppbryter Figur 5.6

• beskyttelse mot overspenning og underspenning

Jording Kapittel 54 fastsetter krav til jording og jordingssystemer. Med riktig og god jording kan en unngå ulykker som skyldes jordingsfeil på det elektriske anlegget.

Nettsystemer I § 213 finner du navn på nettsystemene og hvilke krav det er til de nettsystemene som motoren får tilført spenning fra. Vi kommer ikke inn på dette i denne boka, men gjør deg gjerne kjent med for­ skriftene i FEB. 230V IT System

230VTT System

Første bokstav I =Trafoens nullpunkt isolert fra jord T =Trafoens nullpunkt er jordet

230/400VTN-C System

Andre bokstav T = Beskyttelsesjord føres fra utsatt anleggsdel til jord uavhengig av systemjord

N = Beskyttelsesjord føres fra utsatt anleggsdel til trafoens nullpunkt

Figur 5.7

Kabel- og ledningsdimensjonering Kapittel 52 inneholder alle krav til blant annet størrelsen på kabelen ut fra belastning og forlegning. Slå opp i kapittel 52 Cl og finn ut hvor stor strøm ulike kabeltverrsnitt kan belastes med.

64

LOVER OG FORSKRIFTER

Lederløsning C = Kombinert N-leder og PE-leder, (PEN-leder)

Figur 5.8

Sikl