Industrijska Elektronika 20 Mart 2018 PDF

 

Industrijska elektronika-Predavanja

 

  Sadržaj 1

2

PLC kontroleri kontroleri ............................................... ...................... .................................................. ............................................. ............................................. ...................................... ............. 5 1.1  Razvoj Razvoj PLC-a.......................................... ................. ................................................. ............................................. .............................................. ...................................... ............. 6 1.1.1 1.1. 1

Relejna logika ............................................... ...................... .................................................. ................................................. ........................................... ................... 6

1.1.2 1.1. 2

Prvi PLC-ovi............................................................. PLC-ovi.................................... ............................................. ............................................. ...................................... ............. 7

1.2 

PLC kontroler ........................................................................................................................... 8

1.3 

Ulazn Ulaznii uređaji ............................................. ......................... ............................................. .................................................. .................................................. ........................... 13

1.4 

Izlazn Izlaznii uređaji (aktuatori)....................... (aktuatori)................................................ ............................................. ............................................. .................................... ........... 15

1.5 

Izvrša Izvršavanje vanje programa programa na PLC-a ....................................... .............. ............................................. ............................................. .................................... ........... 15

Motori Motori ........................................... .................. ............................................. ............................................. .................................................. .................................................. ........................... 18

2.1 

Asiho Asihorni rni motor ...................................... .................. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 18

2.1.1 2.1. 1

2.2 

KONSTRUKCIJA KONSTRUKCIJA ............................................. .................... .................................................. ............................................. ......................................... ..................... 18

RAD I OSNOVNE OSNOVNE JEDNAČINE ........................................... .................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 20

2.2.1 2.2. 1

Princip Rada .................................. .............. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 20

2.2.2 2.2. 2

Momentna Karakteristika Karakteristika ....................................... .............. ............................................. ............................................. .................................... ........... 22

2.2.3 2.2. 3

Polazak Polazak i Zalet............................................... ...................... .................................................. ................................................. ......................................... ................. 22

2.3 

Frekve Frekvetni tni regulator regulator (Invertor) (Invertor) .............................................. ..................... .................................................. .................................................. ........................... 24

2.4 

Sinhr Sinhroni oni motori motori ..................................... ................. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 26

2.4.1 2.4. 1

KONSTRUKCIJA KONSTRUKCIJA I VRSTE SINHRONIH SINHRONIH MOTORA................................................. MOTORA........................ ......................................... ................ 26

2.4.2 2.4. 2

PRINCIP PRINCIP RADA SINHRONIH SINHRONIH MOTORA ..................................... ................. ............................................. ......................................... ................ 29

2.4.3 2.4. 3

PUŠTANJE SINHRONOG SINHRONOG MOTORA U RAD .............................................. ..................... .................................................. ........................... 31

2.4.4 2.4. 4

Prednosti Prednosti i mane sihronog motora......................................... ..................... ............................................. ......................................... ................ 32

2.5 

KORA KORAČNI ČNI MOTOR .................................. .............. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 34

2.5.1 2.5. 1

Princip rada .................................................. ......................... .................................................. .................................................. ......................................... ................ 34

2.5.2 2.5. 2

Unipolarni Unipolarni koračni motori....................................... .............. ............................................. ............................................. .................................... ........... 35

2.5.3 

Bipolarni Bipolarni koračni koračni motori .............................................. ..................... .................................................. .................................................. ........................... 36

Slika Šema veze statorskog namotaja i poprečni presek bipolarnog motora ..................................... 36 2.5.4 2.5. 4

Motori Motori sa bifilarnim namotajem namotajem .................................. .............. ............................................. .................................................. ........................... 38

2.5.5 2.5. 5

Upravljanje Upravljanje koračnih koračnih motora ....................................... .............. .................................................. .................................................. ........................... 39

 

2.5.6 2.5. 6

2.6 

Motor Motorii jednosmerne jednosmerne struje .................................. .............. ............................................. .................................................. ......................................... ................ 41

2.6.1 2.6. 1

OSNOVNI KONSTRUKTIVNI KONSTRUKTIVNI ELEMENTI ......................................... ..................... ............................................. .................................... ........... 42

2.6.2 

. PRINC PRINCIP IP RADA............................................. .................... .................................................. ............................................. ......................................... ..................... 44

2.6.3 2.6. 3

VRSTE MOTORA PREMA NAČINU POBUĐIVANJA POBUĐIVANJA .................................. .............. ............................................. ........................... 45

2.6.4 2.6. 4

POKRETANJE POKRETANJE MOTORA JEDNOSMERNE JEDNOSMERNE STRUJE..................................... ................. ............................................. ........................... 48

2.7 

MODELOVA MODELOVANJE NJE JEDNOSMERNOG JEDNOSMERNOG MOTORA .................................. .............. ............................................. ......................................... ................ 50

2.7.1 2.7. 1

Matematički Matematički model DC motora sa stalnim stalnim magnetom na rotoru rotoru ..................................... ..................... ................ 50

2.7.2 2.7. 2

Snaga DC motora .......................................... ................. ................................................. ............................................. .......................................... ..................... 53

2.7.3 2.7. 3

Grafički Grafički model DC motora.............. motora....................................... ............................................. ............................................. .................................... ........... 53

2.8 

PID regulacija regulacija ............................................. ......................... ............................................. .................................................. .................................................. ........................... 56

2.8.1 2.8. 1 3

Prednosti Prednosti i mane koračnih koračnih motora ......................................... ..................... ............................................. ......................................... ................ 41

PID kontrola-osnovni kontrola-osnovni algoritam algoritam ............................................. .................... ................................................ ......................................... .................. 57

Senzori Senzori u industriji industriji ............................................. ......................... ............................................. .................................................. .................................................. ........................... 61

3.1 

Razvoj Razvoj senzora ...................................... .................. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 61 3.1.1 3.1. 1 Internet Internet of Things ......................................... ..................... ............................................. .................................................. ......................................... ................ 62

3.2 

Osnovni pojmovi senzora ..................................... ................. ............................................. .................................................. ......................................... ................ 62

3.3 

Savre Savremeni meni senzorski sistem .................................. .............. ............................................. .................................................. ......................................... ................ 65

3.4 

Senzor Senzorii za merenje pomeraja pomeraja i položaja................ položaja......................................... .................................................. ......................................... ................ 71

3.4.1 3.4. 1

Potenciometarsk Potenciometarskii senzori....................................................... senzori.............................. ............................................. ......................................... ..................... 71

3.4.2 3.4. 2

INDUKTIVNI INDUKTIVNI SENZORI.............................................. ..................... ............................................. ............................................. .................................... ........... 74

3.4.3 3.4. 3

Kapacitivni Kapacitivni senzori .................................................. ......................... ............................................. ............................................. .................................... ........... 78

3.4.4 3.4. 4

Piezoelektričn Piezoelektričnii senzori .................................. .............. ............................................. .................................................. ......................................... ................ 82

3.4.5 3.4. 5

Senzori Senzori na bazi Holovog efekta .............................................. ..................... .................................................. ......................................... ................ 85

3.5 

Merenja sile, pritiska i naprezanja ....................................... .............. .................................................. .................................................. ........................... 88

3.5.1 3.5. 1

Piezorezitivni Piezorezitivni efekat ..................................... ................. ............................................. .................................................. ......................................... ................ 88

3.5.2 3.5. 2

Merna trake .................................. .............. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 89

3.5.3 3.5. 3

Vinstonov Vinstonov most .................................. .............. ............................................. .................................................. .................................................. ........................... 92

3.5.4 3.5. 4

Merne ćelije .................................. .............. ............................................. ............................................. ............................................. .................................... ........... 93

3.6 

Senzor Senzorii za merenje temperature temperature ......................................... ..................... ............................................. .................................................. ........................... 98

3.6.1

OTPORNIČKI TEMPERATURNI TEMP ERATURNI DETEKTOR (eng. Resistive temperature detector - RTD) ..... 98

3.6.2 3.6. 2

Termistori Termistori ...................................... .................. ............................................. ............................................. ............................................. .................................. ......... 101

3.6.3 3.6. 3

Termoparovi Termoparovi .................................. .............. ............................................. ............................................. ............................................. .................................. ......... 103

 

3.6.4 3.6. 4

RTD vs TERMOPAR vs TERMISTOR ......................................... ..................... ............................................. ....................................... .............. 105

3.6.5 3.6. 5

Integrisani Integrisani senzori temperature temperature............................................. .................... ................................................ ....................................... ................ 105

3.7 

SENZ SENZORI ORI ZA MERENJE PROTOKA................. PROTOKA.......................................... ................................................. ............................................. ......................... .... 106

3.7.1 3.7. 1

SENZORI SENZORI PROTOKA NA BAZI RAZLIKE RAZLIKE PRITISAKA................ PRITISAKA.................................... ............................................ ........................ 107

3.7.2 3.7. 2

ANEMOMETRI SA ZAGREJANO ZAGREJANOM M ŽICOM ............................................... ...................... ................................................. ........................ 108

3.7.3 3.7. 3

ULTRAZVUČNI ULTRAZVUČNI SENZORI SENZORI PROTOKA ......................................... ..................... ............................................. ....................................... .............. 110

3.8 

Optičke senzori senzori ..................................... ................. ............................................. ............................................. ............................................. .................................. ......... 113

3.8.1 3.8. 1

FOTOOTPORNIK FOTOOTPORNIK.................................. .............. ............................................. .................................................. ................................................. ........................ 113

3.8.2 3.8. 2

FOTODIODA.................... FOTODIODA........................................ ............................................ ............................................. ......................................... ............................. ......... 113

3.8.3 3.8. 3

SENZORI SENZORI SLIKE – KAMERE ....................................... .............. ............................................. ............................................. .................................. ......... 115

3.8.4 3.8. 4

Optokapleri Optokapleri .................................................. ......................... .................................................. .................................................. ....................................... .............. 115

3.8.5 3.8. 5

Optički senzori senzori sa polarizatoro polarizatorom m .................................. .............. ............................................. ................................................. ........................ 116

3.8.6 3.8. 6

Optički senzori senzori za merenje merenje rastojanja rastojanja ......................................... ..................... ............................................. .................................. ......... 117

3.8.7 3.8.7 3.8.8 3.8. 8

Optički inkrementalni inkrementalni enkoderi................................................... enkoderi............................... ............................................. .................................. ......... 117 Apsolutni Apsolutni optički enkoder ....................................... .............. ............................................. ............................................. .................................. ......... 118

3.8.9 3.8. 9

SENZOR BOJE...................................... .................. ............................................. .................................................. ................................................. ........................ 118

3.8.10 3.8. 10

INFRACRVENI INFRACRVENI TERMOMETRI .................................................. ......................... .................................................. ....................................... .............. 119

3.9 

HEMIJSKI SENZORI....................... SENZORI................................................ .................................................. .................................................. ....................................... .............. 120

3.9.1 3.9. 1

OPTIČKI HEMIJSKI HEMIJSKI SENZORI SENZORI .......................................... ................. ................................................. ............................................. ......................... .... 120

3.9.2 3.9. 2

ELEKTROHEMIJSKI ELEKTROHEMIJSKI SENZORI SENZORI ......................................... ..................... ............................................. ................................................. ........................ 121

3.9.3 3.9. 3

ELEKTRIČNI ELEKTRIČNI HEMIJSKI SENZORI SENZORI .............................................. ..................... .................................................. ....................................... .............. 122

3.10  MEMS SENZORI SENZORI ..................................... ................. ............................................. ............................................. ............................................. .................................. ......... 123

 

  1  PLC kontroleri Uopšteno, sistem upravljanja u elektrotehnici čini skup elektronskih uređaja i opreme koji obezbeđuju stabilnost, tačnost i eliminaciju štetnih prelaznih stanja u proizvodnim procesima. Sistem upravljanja može biti različitog oblika i implementacije, od energetskih postrojenja do mašina. Sistemi upravljanja su se razvijali tokom vremena. U ranom periodu razvoja sami ljudi su obavljali upravljačke zadatke. Krajem šezdesetih šezdes etih godina prošlog veka sistemi upravljanja su bbili ili zasnovani na primeni p rimeni relejne logike, zasnovane na relativno jednostavnim logičkim algoritmima. Glavna mana relejne logike je da se pri bilo kakvoj  promeni u siste sistemu mu upravlja upravljanja nja ona mora menjati, promenom ožičenj ožičenjaa ili ččak ak ubaciva ubacivanjem njem u potpunosti novih sklopova. Te promene izazivale su velike troškove ne samo za opremu već i dugotrajne zastoje  potrebne za modifikaci modifikaciju ju i testi testiranje. ranje. Prema standardima Udruženja proizvođača električne opreme (The National Electrical   Association Association –  NEMA) programabilni logički kontroler definisan je kao: “Digitalni elektronski uređaj koji koristi  programabil  programabilnu nu memoriju za pamćenje naredbi kojima se zahteva izvo izvođenje đenje specifičnih fun funkcija kcija,, kao što su logičke funkcije, sekvenciranje, prebrojavanje, merenje vremena, izračunavanje, u cilju upravljanja različitim mašinama i procesima”.  PLC kao industrijski računar samim svojim dizajnom predviđen je za primenu u neposrednom okruženju procesa sa kojim upravlja, tako da je otporan na razne nepovoljne uticaje,prašina, vlaga, visoka temperatura, vibracije i elektromagnetne smetnje, tako da se obično primenjuje za rešavanje decentralizovanih upravljačkih zadataka, na samom mestu upravljanja, gde se povezuje preko ulaza i izlaza sa uređajima kao što su operatorski paneli, motori, senzori, prekidači, ventili i sličnim. Svimo ovim karakteristikama  omogućava se velika pouzdanost PLC-a u radu, čime se obezbeđuje da će PLC stabilno izvršavati svoj program u industrijskom okruženju. Na pouzdanost naročito utiče hardveska zaštita od elektromagnetne smetnje.  Electromagnetic magnetic interference -EMI) je proces kojim izvor odaje Elektromagnetska emisija (eng.  Electro elektromagnetsku energiju u okolni prostor. Prostiranje smetnji, od izvora smetnji do uređaja na koji smetnje deluju, može biti dvojako:  

 

 pretežno  pretež no vođeni vođenim m talasom, duž provodnika (kabl (kablova),što ova),što ppredstavlja redstavlja ko kondukcione ndukcione smetn smetnje, je, i  pretežno  pret ežno slobodni slobodnim m talasom, što predstavlja radijacione smetnje. Primeri izvori smetnji su :

 

 

 

 brza digitalna kkola ola (na pprimer, rimer, u raču računarima), narima), fluorescentna svetla, radio predajnici,

 

 

udar groma u blizini,

 

elektrostatičko pražnjenje, 

 

varničenje na komutatorima motora,

 

 

varničenje prilikom prekidanja jakih struja (posebno kod induktivnih prijemnika), visokonaponski uređaji automobila (za napajanje svećica) i slično.

 PLC kao i svaki računar ima operativni sistem, koji svakako ima mnogo manje mogućnosti od  PLC operativnih sistema opšte namene, ali u današnje vreme opšte potrebe za komunikacijama, može u  potpunosti da ih podrži. Stoga je moguće izvesti ppovezivanje ovezivanje programab programabilnih ilnih logičkih kontrolera kontrolera ( PLC   PLC -a) -a) i eventualno centralnog računara ili drugih računara, radi rešavanja složenijih upravljačkih zadataka ili  jednostavne  jednostav ne akvizi akvizicije cije podatak podatakaa i upravl upravljanja janja sa dalji daljine. ne.

Mogućnosti komunikacije među  PLC uređajima su tako velike da omogućavaju visok stepen iskorišćenja i koordinacije procesa, kao i veliku fleksibilnost u realizaciji upravljačkog procesa, tako da mogućnost komunikacije kao i fleksibilnost predstavljaju glavne prednosti primene rešenja sa  PLC  uređajima.  uređajima.  

1.1 Razvoj PLC-a 1.1.1  Relejna logika Krajem šezdesetih godina prošlog veka sistemi upravljanja su bili zasnovani na primeni relejne logike, zasnovane na relativno jednostavnim logičkim algoritmima. Glavna mana relejne logike je da se  pri bilo kakvoj promeni u sistemu upravljanja ona mora menjati, promenom ožičenja ožičenja ili čak ubacivanjem u potpunosti novih sklopova. Te promene izazivale su velike troškove ne samo za opremu već i dugotrajne zastoje potrebne za modifikaciju i testiranje. Sekvencijalni upravljački sistemi nazvani relejna-lestvičasta logika (relay ladder logic) su dugo godina, sve do pojave prvih PLC-ova, bili jedini upravljački sistemi koji su se koristili u industriji. Relejna-lestvičasta logika koristila se sve do kraja šezdesetih godina prošlog veka, zasnovana na relativno  jednostavnim  jednostav nim logičk logičkim im algoritmim algoritmima. a. Šta više, zbog velikog iskustva i akumuli akumuliranog ranog znanja u eksploataciji i proizvodnji relejne logike, prvobitni PLC-ovi su bili projektovani da podsećaju na relejnulogiku. Da bi shvatili kako PLC obavlja svoj zadatak, neophodno je dobro razumeti rad releja i relejnolestvičaste logike. Na slici 1 prikazano je tipična realizacija releja i identifikovani su svi delovi ove elektromehaničke komponente.

 

Slika 1.1 Elektromehanički relej

Kao što je prikazano na slici 1 rele čine sledeće tri komponente:

1. elektromagnet- to je magnet koji se kreira (formira) prolaskom struje kroz žice namotane oko gvozdenog gvozde nog jezgra jezgra.. 2. armatura- to je obešena metalna ploča koja se nalazi iznad kalema. Ploča se privlači ka elektromagnetu kada se kalem aktivira (pobudi). Kada kalem nije aktiviran, opruga udaljava armaturu od kalema.

3. kontakti- kreiraju jedan električni put izmedju normalno-zatvorenih kontakata (NC  Normally Closed contacts), a drugi električni put preko normalno-otvorenih kontakata (NO-  Normall  Normallyy Open conatcts) kada je kalem aktiviran (armatura naniže).

 Na slici slici 2 a) prikaz prikazano ano je jjedno-polno-dvo edno-polno-dvo-položajno -položajno rele (SPDT- single pole double throw). Ovo rele ima jedan zajednički kontakt ( single  single pole ili armatura) i dve pozicije, NC i NO, koje se nazivaju throws. Kada kalem nije aktiviran, opruga zadržava (povlači) armaturu u poziciju naviše. U ovoj poziciji ostvaruje se direktna veza (nulta otpornost) izmedju common  kontakta i NC kontakta. Kada se kalem aktivira,, armatura se pr aktivira privlači ivlači naniže pri čemu se prekida veza sa NC kontak kontaktom. tom. U ovoj poziciji ostvaruje se direktna veza izmedju common kontakta i NO kontakta. Izolator ( insulator ) koji je deo armature koristi se da izoluje električno-prekidačke-kontakte releja od ostatka relejnih komponenata.

Slika 1.2 Standardni simboli za jedno-polne releje sa dva kontakta

1.1.2  Prvi PLC-ovi  Napredak tehnologije u izra  Napredak izradi di mikroprocesora, u to vreme vreme,, doveo je do revolucije u sistemi sistemima ma upravljanja. Pojavila se ideja o izradi elektronsko-mikroprocesorskom upravljačkom uređaju koji bi se mogao jednostavno reprogramirati u slučaju izmene u upravljačkim zadacima. Izrađeni su i prvi takvi uređaji, koji su dobili naziv  programabilni logičk logičkii kontrole kontroleri ri ( Prog  Programmable rammable logic cont controllers rollers) ili

 

skraćeno  PLC . Dalji razvoj ovih uređaja je bio vrlo brz, pošto su s u pokazali izuz izuzetne etne prednosti u odnosu na logiku zasnovanu na primenu releja, jer nemaju mehaničkih pokretnih delova, fleksibilniji su zbog mogućnosti programiranja, manja je moguća pojava grešaka tokom ožičavanja, manjih su dimenzija, imaju manju sopstvenu potrošnju i pouzdanost rada im je velika.

1.2 PLC kontroler  

 PLC kontroler je elemenat automatizovanog sistema, koji na osnovu prihvaćenih ulaznih signala sa ulaznih uređaja, po određenom programu, formira izlazne signale sa kojima upravlja izlaznim uređajima. U automatizovanom sistemu,  PLC kontroler je obično centar upravljanja.

Izvršavanjem programa smeštenog u programskoj memoriji,  PLC neprekidno posmatra stanje sistema preko ulaznih uređaja. Na osnovu logike implementirane u programu  PLC određuje koje akcije trebaju da se izvrše na izlaznim uređajima. Za upravljanje složenim  procesima moguće je j e povezati vi više še PLC kontrolera među sobom ili sa centralnim računarom.

Slika 1.3 automatizovani sistem

 

  Svi  PLC kontroleri bez obzira na veličinu imaju istu hardversku strukturu, sličnu drugim računarskim sistemima, adaptiranu industrijskom okruženju, koja ima iste osnovne celine:  

 

CPU (centralna procesorska jedinica). Memorija za program i podatke.



Komunikacioni deo.



Mrežni deo za napajanje.



Ulazni deo (digitalni, analogni).



Izlazni deo (digitalni, analogni).



Deo za proširenje

 

 

 

 

 

 

Slika 1.4 Struktura PLC kontrolera

 

CPU i memorija kod PLC-a su slični drugim računarskim sistemima, dok se ostali delovi  prilagođeni industrij industrijskom skom okruženju. obezbeđuju komunikacija sa drugim  PLC uređajima i raznim senzorima, komunikacija sa operatorskim panelima, nadređenim računarima i modemskom  Komunikacioni deo

vezom. Gotovo svi  PLC -i -i imaju ugrađen serijski port za komunikaciju ( RS 232 232 ili RS485), u zadnjih par godina i Ehernet, a komunikacija se vrši preko protokola koji zavisi od proizvođača. Pored toga kao komunikacioni protokoli koriste se i CANBUS, PROFIBUS itd. Komunikacija sa nadređenim programatorom ili  PC računarom na kojem se piše upravljački program, šalje u  PLC i zatim proverava njegova funkcionalnost, obično se obavlja preko USB porta ili Etherneta . obezbeđuje napajanje i neosetljiv je na smetnje koje dolaze iz električne mreže kao i na kraće ispade mrežnog napona. Standardni naponi napajanja su 120/230VAC i 24 VDC . Napajanje je po pravilu sa galvanskim odvajanjem ulaza i izlaza, čime se  prvenstveno smanjuj smanjujuu osetlji osetljivost vost PLC-a na spoljašnje EMI smetnje. Za potpunu galvansku izolaciju potrebno je i za ulazni i za izlazni modul koristiti zasebne galvanske izolovane izvore napajanja, kao i za zasebno napajanje za CPU PLC-a, ukupno tri izolovana napajanja. U praksi  Moduo napajanja

se često koristi isto napajanje za ulazni modul i CPU PLC-a, tako da je potrebno ukupno da napajanja. štiti CPU od mogućih prevelikih signala na ulazu, i vrši galvansku izolaciju. Ulazni prilagodni stepen pretvara nivo stvarne logike (obično signali od 24V) u nivo logike koji odgovara CPU  jedinici. Ovo se najčešće obavlja pomoću optokoplera kod digitalnih ulaza. Pomoću optokaplera vrši se optička izolacija ulaznih signala od CPU-a PLC-a, čime ste ostvaruje njihova galvanska izolacija. Na slici 1.5. prikazana je principska šema jednog ulaza u ulaznom modulu. Ulazni modul se obično sastoji od 8 ili više ulaza. Ulazni modul

Slika 1.5 Ulazni prilagodni element

 

  Slika 1.6 Šema ulaznog prilagodnog elementa

 Na slici 1.6 prikazana je realna šema ulaznog prilagodnog elementa, otpornik od 3.3Koma ograničava ulaznu struju na red miliampera, dok kondenzator od 1000pF i otpornik od 470Oma služe kao NF filtar. Na ulaze se obično dovodi naponski signal od 24V.  Izlazni modul

takođe mora biti galvanski odvojen. Kod digitalnih izlaza, odvajanje je slično kao

isastoji kod ulaza. od 8 iliCPU višedovodi izlaza. signal na predajnu foto diodu i uključuje ga. Izlazni modul se obično

Slika 1.7 Izlazni prilagodni stepen

 Na slici 1.8 prikazana je realna šema ulaznog prilagodnog element elementa, a, Foto dioda pobuđuje foto tranzistor koji aktivira izlazni uređaj, koji može biti:  PNP tranzistor, tranzi stor,   NPN tranzistor,  manji relej,  

 

 

tj prekidački element koji je sposoban da vrši prekidanje jačih naponskih i strujnih signala. Kao napajanje izlaznog stepena obično se dovodi 24V DC.  

 

  Slika 1.8 Šema izlaznog prilagodnog stepena

Manji  PLC -i -i izvedeni su mehanički obično u okviru jednog kućišta, dok se ostali sastoje iz modula. Osnovni moduli su napajanje i procesorski modul, dok broj i vrsta ostalih modula zavisi od potreba sistema gde se PLC integriše. U zavisnosti od broja modula,  PLC može imati i više od jednog kućišta. Dodatni moduli proširenja povezuju se preko dela odnosno linija za  proširenje.

Slika 1.9 Primer modularnog PLC-a

 

1.3 Ulazni uređaji  

Ulazni uređaji čije signale prihvata PLC, mogu biti vrlo različiti:  

Digitalni (ON/OFF) ulazni uređaji su: enkoderi, tasteri, prekidači, fotoćelije, termostati,diskretni induktivni, kapacitivni i drugi ssenzori. enzori.  Analogni ulazni uređaji su: potenciometri, senzori protoka, termometri, pritiska nivoa tečnosti tečnos ti itd. Digitalni ni uređaji re đaji : enkoderi, senzori sa dig di git italnom alnom komunikacijom (RS232/475,  Digital CANBUS, ETHERNET itd.)



 

 

Slika 1.10 Primer ulaznih uređaja

 Najčešći ulazni uređaji su digital digitalni ni diskretni (ON/OFF) ulazni uređaji. Oni se povezuj povezujuu na ulazni modul PLC-a, dok se analogni i digitalni uređaji povezuju na odgovarajuće module za proširenje PLC-a ili na komunikacione module. Digitalni diskretni (ON/OFF) ulazni senzori na svom izlazu ili imaju mini relej ili neki trenzistor/mosfet koji radi kao prekidač. Tasteri i prekidači se mogu direktno povezati na PLC ulazni modul. Ulazni modul se najčešće sa proizvoljni smerom struje kroz ulazni prilagodni element, što je omogućeno sa antiparalelno vezanim LED diodama u optokapleru na slici 1.6. Izbor se vrši  povezivanjem zajedničke (COM (COMMON) MON) linije ulaznog modula. Moguće je povezati COMMON linunu na masu GND napajanja ulaznog modula (eng.  sinking ),ili ),ili na +VCC ,najčešće +24V (eng.  sourcing ). ). Time je omogućena veća fleksibilnost po pitanju povezivanja ulaznih senzora, tj. moguće je povezati i senzore sa PNP izlazom kao i sa NPN izlazom. Primeri povezivanja digitalni diskretni (ON/OFF) ulazni uređaji su prikazani na sledećim slikama.

 

  1.11.a) Povezivanje tastera na PLC (COMMON sinking)

1.11.b) Povezivanje senzora sa PNP izlazom na PLC (COMMON sinking)

1.11.c) Povezivanje senzora sa NPN izlazom na PLC (COMMON sourcing)

 

1.4 Izlazni uređaji (aktuatori)  

Izlazni uređaji se mogu podeliti na sledeće grupe:  

 

 

 

ON/OFF - releji, kontaktori, elektromagnetni pneumatski cilindri itd. Motori – asihroni, sihroni i DC elektromotori,ventili, step motori, servo sistemi Digitalni uređaji- Displeji i ostali sistemi sa digitalnom komunikacijom

Zavisno od vrste izlaza PLC-a, ON/OFF izlazni uređaji se mogu povezati kao sinking ili sourcing, slično kao i kod ulaznih uređaja.

1.5

 

Izvršavanje programa na PLC-a

Osnova rada PLC-a je kontinualno skeniranje programa (sekvencijalno upravljanje).Program se  periodično ponavlja a svaki pojedinačni prola prolazz je jedan sken ciklus. Svaki sken cikl ciklus us iima ma četiri koraka:     

 

 

 

 

Ulazni sken, Programski sken, Izlazni sken, Održavanje (samokontrola)

 

Programski ciklus se sastoji od četiri faze. Pri inicijalizaciji, pri uključenju,  PLC  prvoproverava moguće greške u svom hardveru i softveru. Ako ih ne pronađe, preuzima stanja ulaza (iz registara ulaza) i kopira njihove vrednosti u memoriju na zato predviđene lokacije. Taj postupak se naziva ulazni sken a podaci u memoriji se nazivaju slika ulaza. Koristeći ulazne podatke, odnosno njihovu sliku, procesor izvršava programske naredbe kojima su definisane odgovarajuće aritmetičko-logičke funkcije u fazi koja se naziva programski sken. Pri tom se rezultati obrade smeštaju u zato predviđeno memorijsko područje nazvano slika izlaza. Po završetku  programskog skena u fazi nazvanoj izlazni sken podaci iz slike izlaza prenose se na izlaze (registre izlaza).  PLC nakon izlaznog skena pokreće nanovo čitav ciklus, proverava greške itd.  Na ovaj način je izvedena i zvedena povećana po pouzdanost uzdanost rada pr prii izvršavanju progra programa ma na PLC-u.

 

  Slika 1.10 Ciklus rada PLC-a 

Provera da li se programski ciklus izvodi pravilno, izvodi se uz pomoć hardverskog watchdog tajmera, koji se proziva u svakom skenu i predstavlja osnovnu garanciju sigurnog rada. Ako se to ne dogodi signalizira se greška u samom programu ili kvar na opremi kontrolera. Na taj način štiti se sistem upravljanja, naprimer od ulaska programa u beskonačnu petlju. U zavisnosti od  primenjenog tipa proce procesora sora u PLC-u, ulazni i izlazni sken izvršavaj izvršavajuu se u vremenu reda milisekundi (0.1 do 3ms), tako da se ciklus obrade ponavlja 100-1000 puta u sekundi. Trajanje skena ciklusa obrade, posebno programskog dela zavisi od veličine programa i brzine PLC-a. Proizvođači PLC-ova uz njih isporučuju namenske programske jezike, koji su manje više u skladu sa standardom IEC 61131-1 (IEC = International Electrotechnical Commision). Po tom standardu programski jezici za kodiranje dele se na tekstualne i grafičke. Tekstualni programski jezici su:  

IL – Inst In struction ruction List (klasa asemblerskih jezika) i

 

ST– Structured Text (klasa proceduralnih jezika). Grafički programski jezici su:  

LD – Ladder Diagram (lestvičast dijagram)

 

FBD – Function Block Diagram (funkcionalni blok dijagram).

 

Sequential function chart (SFC) (dijagram stanja)

 Najčešće upotrebljava upotrebljavann PLC progra programski mski jezik je kontaktni lestvič lestvičast ast dijagram. dijagra m. Ovaj način programiranja ima za osnovu relejnu upravljačku šemu, odnosno njen grafički izgled,  prilagođen principima rada PLC kontrolera. Ovaj način programira programiranja nja kori korišćen šćen je već kkod od prvih  primena PLC-a, kako bi korisnici navikli za izradu šema u relejnoj tehnici, bezbolno prešli na

 

 primenu PLC-a. Kako je ovaj grafički način programir programiranja anja lako shvatljiv i onima koji se nisu  bavili relejnim relejni m upravlj upravljanjem, anjem, on se širo široko ko odomaćio.

 

2  Motori 2.1  Asihorni motor  

Trofazne asinhrone mašine su najčešće korišćene električne mašine u mnogim granama industrije. Karakterišu ih niska cena, visoka pouzdanost, dobar stepen iskorišćenja, lak polazak i vrlo niski zahtevi održavanja. Ista mašina može da radi kao motor i kao generator, a radni režim zavisi jedino od toga da li se mehanička energija dovodi ili odvodi. Asinhrone mašine najčešće rade kao motori. Asinhroni motori se tipično proizvode za manje i srednje snage (od 0,55 do 22 kW ) u vrlo velikim proizvodnim serijama. Kad se napajaju iz NN mreže, asinhroni motori lako startuju i zatim rade brzinom definisanom konstrukcijom namotaja, a koja se vrlo malo menja sa promenama opterećenja (tvrda mehanička karakteristika). 2.1.1  KONSTRUKCIJA Kao i sve rotacione električne mašine, asinhrone mašine imaju dve grupe delova: stator i rotor. Stator se sastoji od sledećih komponenti: 1. statorski namotaj, najčešće trofazni, postavljen u žljebove magnetnog kola statora,  

2. magnentno kolo statora, u obliku šupljeg cilindra, napravljeno od tankih tzv. dinamo-limova koji su sa jedne strane lakirani radi električne izolacije i zatim složeni u paket. Na unutrašnjem obimu postoje aksijalni žljebovi u koje se postavlja namotaj.  

3. kućište, koje se sastoji od:  

- 

glavnog kućišta, u obliku šupljeg cilindra, koje sa unutrašnje strane drži magnetno kolo, a sa spoljne strane ima rebra za povećanje hlađene površine,

- 

dva nosača ležajeva sa ležajima, a često i poklopac ventilatora sa jedne strane.

-   priključnu kutiju, kutij u, u koju se izvode ppočeci očeci i krajevi - 

namotaja statora,

natpisnu pločicu,

Rotor ima sledeće delove: 1. rotorski namotaj u žljebovima rotora, koji je:  

 polifaznni -   polifaz

kavez od aluminij aluminijumskih umskih ili bakarnih šipki čiji su svi počeci spoje spojeni ni jednim a krajevi drugi provodnim prstenom (kavezne mašine).

 

  2. magnetno kolo sa aksijalnim žljebovima na spoljnom obodu za smeštaj namotaja,  

3. vratilo,  

4. ventilator koji obezbeđuje hlađenje.  

Kavezni motori su jednostavne i vrlo robusne konstrukcije. U uobičajenoj IP 55 izvedbi, otporni su na vodu i prašinu. Redovna održavanja su znatno ređa i manjeg obima u odnosu na druge vrste mašina. Uz pravilnu upotrebu, vek motora je praktično određen vekom ležajeva rotora.  Nema četkica, pa mogu da rade u čistim (prehrambe (prehrambena, na, farmaceut farmaceutska, ska, hemijska i slične industrije) ili u eksplozivnim sredinama (petrohemija, hemijska industrija, itd.) Asinhroni motori

 

mogu biti konstruisani u IP 67 ili IP 68 izvedbi, što znači da normalno rade potopljeni u vodi ili nekoj drugoj tečnosti. 2.2

 

RAD I OSNOVNE JEDNAČINE 

 

2.2.1 Princip Rada

Ako se obrće permanentni magnet (NS), obrtaće se i bakarna ploča koja se nalazi ispod njegovih polova, u istom smeru. Ovu pojavu otkrio je fizičar Arago i nazvao „rotacioni magnetizam. zZajedno sa magnetom obrću se i njegove linije magnetne indukcije, koje seku  bakarnu ploču i u njoj indukuju struj strujee (čije putanje su kružne, jer je plo ploča ča masivan pro provodnik. vodnik. Kada se na stator postave tri namotaja (svaki sa više navojaka) prostorno pomerena za po 120° i kada se kroz njih propuste sinusoidne struje istih amplituda i frekvencija ali vremenski pomerene za po trećinu periode (fazni pomeraj je po 120°), magnetopobudne sile ovih namotaja će oformiti obrtno magnetno polje.

Obrtno magnetno polje je (u idealnom slučaju) po unutrašnjem obimu statora (a time i po obimu zazora i po spoljašnjem obimu rotora) prostorno raspodeljeno po sinusnom zakonu tako da

 

formira magnetne polove. Polje ima konstantnu amplitudu u centrima svakog magnetnog pola, definisanu brojem navojaka, jačinom struje i dužinom zazora, ali se maksimumi i minimumi (tj. severni i južni polovi) vremenski pomeraju po obimu zazora, tj. u prostoru. Brzina obrtanja polja naziva se sinhrona brzina i definisana je frekvencijom napajanja  f  i   i brojem  pari magnetnih polova p. Izražava se u obrtajima u minuti kao: n s = 60 f / p

(1) Pri mrežnom napajanju frekvencije 50 Hz  sinhrone brzine su: Broj pari magnetnih polova

1

2

3

4

Sinhrona brzina [o/min]

3000

1500

1000

750

Rotor asinhrone mašine obrće se brzinom n  koja je različita od sinhrone brzine obrtnog polja. Stoga se u namotaju rotora indukuju elektromotorne sile (naponi). Pošto su namotaji rotora kratko spojeni, ovi indukovani naponi prouzrokuju struje u svakoj šipki rotorskog kaveza. Ti  provodnici sa strujom nalaze se u obrtnom polj poljuu pa proizvode mehaničke sile, a pošto su  provodnici postavljeni po obodu rotora (van centra rotacije), proizvode mehanički moment sile. Kada je mašina povezana sa radnom ili pogonskom mašinom određenog momenta, u stacionarnom radnom režimu mašina radi na tačno takvoj brzini pri kojoj je razvijeni elektromagnetni moment tačno jednak momentu radne mašine – to će biti stacionarna radna tačka pogona. Ako bi se rotor obrtao tačno sinhronom brzinom, ne bi bilo indukovanih napona niti struja u namotaju rotora a time ne bi bilo ni razvijenog momenta. Kada mašina radi kao motor, ugaona brzina obrtanja rotora je niža od sinhrone, a kada radi kao generator je veća od sinhrone. U motorskom režimu razvijeni moment je istog smera kao i smer obrtanja rotora, a radna mašina se protivi obrtanju. U generatorskom režimu rada razvijeni moment je suprotnog smera od smera obrtanja. Razlika između brzine obrtanja rotora i sinhrone brzine naziva se klizanje. Klizanje se ponekad izražava u apsolutnim jedinicama, o/min, a češće u relativnim jedinicama odnosno u procentima, koji su u odnosu na sinhronu brzinu definisani kao:  s = ( n s    nn)  / n s 

(2)

 s [%] = 100 (n s   n  n)  / n s 

(3) Klizanje jednako nula predstavlja sinhronu brzinu, a klizanje od jedan (100%) označava mirovanje (zakočenost) ili sam trenutak polaska. U nominalnom režimu klizanje asinhronih mašina kreće se od 10% za motore vrlo male snage do ispod 2% za motore vrlo velikih snaga. Kad rade u generatorskom režimu, klizanje je od -10% do -2%. Razvijeni moment motora menja se sa brzinom te se za svaki motor daju ili cela mehanička karakteristika (dijagram moment-brzina) ili tri karakteristične vrednosti: nominalni, polazni i  prevalni (maksimalni) ( maksimalni) mome moment. nt.

 

  2.2.2  Momentna Karakteristika Razvijeni izlazni moment na vratilu motora je funkcija parametara motora, napona napajanja i klizanja. Tipičan oblik momentne karakteristike, pri nominalnom naponu napajanja,  prikazan je na donjoj slici, gde su označeni nominalni, polazni i prevalni momenti, kao i odgovarajuća klizanja.

Karakteristične tačke gledano preko momenata su: razvijaa pri pokretanju (n=0),i koji, da bi se mašina   polazni momenat, Mpol, koji motor razvij  

mogla pokrenuti, mora biti veći od otpornog momenta radne mašine   prevalni (maksimalni) (mak simalni) momenat, M p, je najve najveća ća vrednost moment momenta, a,  



 

naznačeni (nominalni) momenat, Mn, odgovara naznačenom režimu rada.

 Normalan rad motora je u oblasti između nominalne brzine (pri nominalnom opterećenju na vratilu) i sinhrone brzine (vratilo neopterećeno). Dozvoljena su povremena kratkotrajna  preopterećenja, do prevalnog momenta, te se može pojaviti klizanje do prevalnog, spr , čiji je tipičan iznos oko 25% (mašine male snage), oko 15% (srednje snage) i oko 10% (vrlo velike snage).U normalnoj radnoj oblasti, brzina se menja za oko 5% od nultog to nominalnog opterećenja, što daje tzv “tvrdu” mehaničku karakteristiku. Treba još naglasiti da će preopterećenje na vratilu koje je veće od prevalnog dovesti do zaustavljanja pogona, jer motor ne može da proizvede tako velik moment. 2.2.3  Polazak i Zalet U praktičnoj primeni puštanje u rad asinhronog motora predstavlja veoma važan proces. Brzina i postepeni prelazak mehanizma kojeg pokreće motor iz stanja mirovanja u stanje  jednolikog obrtanja sa nominalnom brzinom, utiču bitno na opšte radne osobine obrtnog

 

mehanizma, ukoliko je potrebno, da se on često periodično pokreće. Vrednost polaznog momenta i struje su osnovna pitanja pri puštanju asinhronog motora u rad. U ternutku kada se motor priključuje na mrežu, njegov rotor je mehanički nepokretan, a električki u kratkom spoju, a indukovana elektromotorna sila u namotaju rotora maksimalna (jer obrtno polje preseca  provodnike rotora sinhronom brzinom), to stanje je praćeno pojavom velikih struja. Ove struje mogu izazvati visoka zagrevanja namotaja motora kao i velike padove napona, što može negativno da utiče na druge prijemnike u mreži. Da bi rotor motora pri puštanu u rad mogao  preći u obrtno kretanj kretanje, e, polazni momenat kojeg razvija motor mora biti veći od otpornog momenta kojega na osovini proizvodi radna mašina. Sa druge strane vrednost polazne struje za datu mrežu ne sme prevazilaziti određene granice koje zavise od snage mreže. Za praktičnu primenu asinhronih motora, poželjne su dobre startne osobine - visok polazni moment i umerena polazna struja. Pri uključenju na mrežu nominalnog napona, tokom ubrzavanja motori povlače iz mreže struju koja je tipično 6 puta veća od nominalne struje, što  predstavlja strujno i naponsko naprezanje za mrežu (pogotovo kod velikih motora), kao i termičko naprezanje za sam motor. Standardni asinhroni motori su konstruisani tako da  proizvode bar 150% nominalno nominalnogg momenta pri polasku. O Ovvim jjee omogućen rrelativno elativno kratak za zalet, let, čime se dobija kratko trajanje velikih startnih struja, pa je opasnost od pregrevanja smanjena. Specijalni motori proizvode preko 200% momenta pri startu. Priroda konstrukcije asinhronih motora je takva da se malo klizanje, visok prevalni moment, visok stepen iskorišćenja i dobar faktor snage postižu na uštrb velike polazne struje i relativno niskog polaznog momenta. Konstruktori motora moraju da kod kaveznih motora prave kompromis – kod motora male snage se ide na bolje polazne karakteristike, a kod većih motora na malo klizanje i visok stepen iskorišćenja. Da bi se kod motora većih snaga dobile i povoljne  polazne karakteri karakteristike, stike, modifikuje se konstrukcija rotora. Dve česte konstrukcije su dvostruki kavez (jedan kavez preovladava pri startu a drugi pri normalnom radu) ili duboki žljebovi na rotoru, čime se na pozitivan način iskorištava efekat potiskivanja struje. Za srednje i velike motore, strujni i naponski udar prema mreži je relativno jak pa se primenjuju razni elektronski sistemi za tzv. “meki start”.

2.2.3.1   Pokretanje prekidačem zvezda - trougao za meki start

Pri pokretanju, namotaj statora trofaznog asinhronog motora sa kratkospojenim rotorom vezuje se u „zvezdu“ - uzima iz mreže tri puta manju jačinu struje, nego da je vezan u „trougao“

 

  Kada motor razvije nominalan broj obrta, namotaj statora prevezuje se u „trougao“ i sa tom vezom motor dalje trajno radi. Vezivanje i prevezivanje namotaja statora, kao i isključenje motora sa mreže vrši se prekidačem zvezda-trougao.Nedostatak: u sprezi „zvezda“ moment je tri  puta manji od momenta kada je namotaj statora u sprezi „tro „trougao“. ugao“. Na donjoj slici prikazan je način povezivanja na priključke asihronog motora za zvezdu i trougao.

2.3 Frekvetni regulator (Invertor)  

Veličine pomoću kojih se može regulisati brzina obrtanja najlakše se vide iz osnovne jednačine koja opisujebrzinu obrtanja asinhrone mašine: Regulisanje brzine obrtanja se može izvršiti: 1.promenom klizanja, 2.promenom 2.pro menom broja pari polova i 3.promenom frekvencije mreže(izvora). Regulacija brzine promenom klizanja i broja pari polova se danas ne koristi. Regulacija brzine  promenom frekvencije izvoraje, sa razvojem energetske elektronike, postala najznačajnija, pri

 

čemu se, kako se ne bi promenilo magnetno zasićenje mašine,često izvodi sa istovremenom  promenom napona napajanja na pajanja (tzv. U U/f /f regulacija, regulacija,U/f=const). U/f=const). Prednosti ovog načina regulisanja brzine su u veoma dobrim tehničkim osobinama: zadržava se vrednost maksimalnog momenta, promena brzine je kontinualna i u širokom opsegu, koristi se standardni motor sa kratkospojenim rotorom. Međutim, potreban je dodatni uređaj za obezbeđenje promenljive učestanosti i napona napajanja (pretvarač).Pretovarač se sastoji od ispravljača koji daje DC napon, i invertora koji transformiše DC napon u trofazni AC napon čija frekvencija se može podešavati.

Upotrebom frekventnih pretvarača (AC/AC pretvarača) rešava se i problem prevelikih struja vezan za pokretanja asinhronog motora kao i jednostavna promena smera obrtanja rotora (Svodi se na promenu smera obrtnog polja u statoru. Upraksi se promena smera obrtanja rotora postiže i zamenom mesta dva priključna fazna voda). Mehaničke karakteristike motora za različite frekvencije i konstantan odnos U/f: Veličina  prekretnog momenta praktično se ne menja, jer je odnos statorskog napona i frekvencije konstantan Nagib mehaničkih karakteristika ne menja se pri promeni frekvencije statora, tj. karakteristike se translatorno pomeraju po apscisnoj osi.

 

 

2.4 Sinhroni motori  

Sinhroni motor je vrsta električne mašine za naizmeničnu struju kod koje se u ustaljenom pogonu rotor obrće jednakom brzinom kao i obrtno polje u vazdušnom zazoru, pa otuda i potiče naziv. Kao i sve ostale električne mašine, sinhroni motor je reverzibilan tj. može da radi i kao motor i kao generator. Pored ove dve uloge sinhrona mašina može da radi i kao generator reaktivne energije i tada se naziva sinhroni kompezator. Sinhroni motori imaju konstantnu brzinu obrtanja koja ne zavisi od mehaničkog momenta već isključivo učestanosti napajanja i broja pari polova. Prednost im je što mogu da rade, za razliku od svih ostalih motora za naizmenične struje, pri cosφ=1, pa ako je potrebno mogu i da daju reaktivnu energiju mreži, što ih čini dragocenim u elektroenergetskom sistemu. 2.4.1  KONSTRUKCIJA I VRSTE SINHRONIH MOTORA Magnetno kolo sinhronih motora (SM) sastoji se , kao i kod svih obrtnih mašina, iz dva osnovna dela: nepokretnog dela ili statora i obrtnog dela ili rotora, koji su međusobno razdvojeni međugvožđem. Stator sinhrone mašine je u svemu jednak statoru asinhrone mašine (čak su zamenljivi), i čini ga paket tankih limova u obliku šupljeg valjka sa čije unutrašnje strane se nalaze aksijalno izbijeni žlebovi u koje se smeštaju namotaji statora raspodeljeni simetrično u tri  jednake grupe. Za razliku od asinhronih motora, kod kojih je rotorski fluks prouzrokovan akcijom statora, kod sinhronih motora rotorski fluks nije posledica statora već može biti posledica permanentnih magneta na rotoru ili delovanja magnetnopobudne sile rotorskog pobudnog namotaja. Prema tome, po samoj konstrukciji, sinhrome motore možemo podeliti u dve grupe: one koje imaju  permanentni magnet na rotoru i one o ne koje imaju elektrom elektromagnet. agnet.

 

Pojava permanentnih magneta (PM) sa visokim energetskim produktom, kao što su SmCo i  NdFeB magneti, podstakla je razvoj sinhronog motora sa permanentni permanentnim m magnetima na rrotoru otoru i klasičnim trofaznim namotajem na statoru. Upotrebom PM dobijaju se visokoefikasne mašine sa izuzetno velikom specifičnom snagom. Razlog je taj što se ne koristi električno kolo za pobudu. Samim tim nema ni električnih gubitaka u tom kolu, a pošto se materijali za izradu PM odlikuju malom specifičnom provodnošću nema ni gubitaka usled vrtložnih struja. Druga prednost je dobar dinamički odziv mašina usled visoke vrednosti fluksa u zazoru mašine. Zbog ovog svojstva često se ovakve mašine sreću u pogonima koji zahtevaju veliko ubrzanje. Ne može se zanemariti ni činjenica da su mašine sa PM jednostavnije konstrukcije od mašina sa električnom  pobudom.

Slika Poprečni preseci različitih mašina sa PM: a) Sinhroni sa površinski montiranim PM b) Sinhroni sa ugrađenim PM 2  Na gornjoj slici su prikazane prika zane različite konstrukcije mašina sa stalnim magnetima. Sinhroni motori sa stalnim magnetima na rotoru dele se na motore sa ugrađenim PM i motore sa  površinski montiranim PM. Kod motora sa površinski montirani montiranim m PM, magneti se pomoću specijalnih epoksidnih lepila pričvršćuju, neposredno duž statora, na samu površinu rotora u za to predviđenismeru. prostor. Orjentacija stalnih magneta je takva se formira rotorska pobuda određenom Konstrukcijski problem kod rotora sa da površinski montiranim PM jesteu mehanička čvrstoća za rad sa velikim brzinama. Druga vrsta ugradnje magneta je tzv. unutrašnja, kod koje se permanentni magneti ugrađuju u prazan prostor ostavljen u telu rotora. Statorski fluks sada nailazi na magnetni materijal a ne na permanentni magnet pa se širina zazora ne  povećava njihovom montažom. Magneti ovde takođe formiraj formirajuu neko pobudno polje čija je  prostorna orjentacija određena položaj položajem em ro rotora. tora. Prednosti ove konstrukc konstrukcije ije su veća mehanička čvrstoća rotora i lakša primena sensorless upravljanja. Zahvaljujući postojanju feromagnetnog materijala i magnetne isturenosti, odnnosno reluktantnog fluksa, moguće je ostvariti režim konstantne snage u širokom opsegu. Druga vrsta sinhronih motora ima pobudni namotaj, koncentrisan oko jezgra pola rotora sa istaknutim polovima ili raspodeljen u žlebovima cilindričnog rotora, napajan jednosmernom

 

strujom iz pomoćnog izvora. Kada se kroz provodnike pobudnog namotaja propusti jednosmerna struja nastaje stalno magnetno polje, koje kada se obrće rotor nosi sa sobom. Prema načinua napajanja pobudnog namotaja, kod sinhronog motora sa namotanim rotorom, razlikujemo dva rešenja.

Prvo rešenje (gornja slika) je zasnovano na kliznim prstenovima kao kod asinhronog motora sa namotanim rotorom. Krajevi pobudnog namotaja izvode se do dva klizna prstena postavljena na vratilo s jedne bočne strane magnetnog kola rotora. Spolja, na ove prstenove naležu naročite četkice (dirke) koje kližu po njima i obezbeđuju električni kontakt. Na ugljene četkice dovodi se  jednosmerni pobudni napon iizz nekog nezavisnog izvora. Međutim, problemi vezani za primenu četkica (trošenje četkica i prstenova, prelazni otpor itd.) naveli su na razvoj drugog rešenja kojim se ovi problemi prevazilaze.

Slika : a) Način napajanja pobudnog  b) Poprečni presek bezkontaktnog b ezkontaktnog obrtnog tr transformatora ansformatora

(rotorskog)

namotaja

U drugom rešenju, napajanje rotorskog (pobudnog) namotaja vrši se pomoću bezkontaktnog obrtnog transformatora (gornja slika.). To je transformator kod koga se primar nalazi na statoru, sekundar na rotoru, a naročitom konstrukcijom je omogućeno da imaju zajedničko sprežno polje.  Na primar se saopštava naizmenična struja promenljive amplitude, a na sekundaru dobija

 

naizmenična struja koja se posle ispravljanja vodi na pobudni namotaj (slika.a). Dakle, ne postoji nikakva konduktivna veza. Međutim, kada su u pitanju zaštite od kratkih spojeva i zemljospojeva, treba reći da je kod ovakvog sistema napajanja rotora ne moguće izvesti zaštitu od zemljospoja pobudnog namotaja ako ne postoji poseban klizni prsten. Osim pobudnog namotaja, na rotoru nekih sinhronih motora postoji i dodatni prigušni (amortizacioni) namotaj, koji ima osnovnu ulogu da prigušuje oscilovanje brzine obrtanja rotora oko sinhrone a kod motora manje snage i za pokretanje. U ustaljenom stanju ovaj namotaj nema funkciju, jer se u njemu tada ne indukuje napon. Prigušni (startni) namotaj je sličan namotaju kaveznog rotora, tj. kratko je spojen i smešten u rotoru, a koristi se kod sinhronih motora koji se  priključuju direktno na mrežu. Kako se danas sinnhroni motori uglavnom napajaju iz invertora, to se potreba za prigušnim (startnim) kavezom smanjila. Pored navedenih, postoje i takvi sinhroni motori koji uopšte nemaju ni permanentne magnete niti  bilo kakav namotaj na rotor rotoru. u. Kod ovakvih motora se, usled razlike otpora magnetnog kola po  podužnoj i poprečnoj osi, jjavlja avlja momenat (tzv. rel reluktantni uktantni momenat) koji tteži eži da posta postavvi rotor u  položaj sa najmanjim otporom magnetnom fluksu mašine. Ovakvi motori nazivaju se sinhroni reluktantni (SRM). Rotor sinhronih reluktantnihodvojenih motora načinjen je od od nemagnetnog aksijalno ili transferzalnomotori složenih feromafnetnih limova međusobno pregradama materijala. Projektanti sinhronih reluktantnih motora uglavnom optimizuju kokstrukciju rotora tako da obezbede maksimalan odnos podužne i poprečne induktivnosti čime je obezbezbeđena velika vrednost momenta, visoka efikasnost i faktor snage. Njihova prednost u odnosu na motore sa PM je to što se pri izradi ovih motora ne koriste skupi materijali i što je konstrukcija rotora čvršća nego kod PM motora. Može se očekivati da će se i cena izrade sinhronih reluktantnih motora izjednačiti sa cenom asinhronog motora kada se oni budu izrađivali u velikim serijama. 2.4.2  PRINCI PRINCIP P RADA SINHRO SINHRONIH NIH MOTORA Princip rada može da se objasni pomoću modela sinhronog motora prikazanog na slici 4.5. Magnetno polje, koje potiče od trofaznih struja u statoru sinhronog motora, predstavljeno je u obliku dva pola Nob i Sob stalnog magneta, koji se obrće sinhronom brzinom ns. Rotor je, takođe prikazan u obliku stalnog magneta sa polovima N’ i S’. Oba magnetna sistema, spoljni i unutrašnji, razdvojeni su međugvožđem i mogu se obrtati oko ose obrtanja. Ako pobudni namotaj motora priključimo na izvor jednosmerne struje, a namotaj statora na odgovarajući simetričan trofazni izvor, struja koja prolazi kroz pobudni namotaj stvara stalno magnetno polje. Smer jednosmerne struje kroz provodnike rotora je takav da je jedan pol severni, sledeći južni itd. S druge strane, trofazne struje koje protiču kroz trofazne namotaje statora koji su prostorno pomereni tako da njihove ose međusobno zaklapaju ugao od električnih 120 ˚, daju obrtno magnetno polje koje se obrće sinhronom brzinom ns oko nepokretnog rotora, pri čemu se ta brzina praktično uspostavlja trenutno. Predpostavimo da je ns = 3000 o/min, što znači da u toku jedne sekunde mimo svakog pola rotora prođe po 50 puta pol Nob i pol Sob obrtnog polja statora. Na taj način, na rotor će delovati sile usmerene čas na jednu čas na drugu stranu. Srednja

 

vrednost momenata nastalih usled ovih sila u toku jedne periode biće jednaka nuli, jer on u toku  jedne poluperiode deluje u jjednom ednom smeru, a u toku druge poluperi poluperiode ode u suprotnom smeru. Pri ovim uslovima, a i zbog svoje inertnosti rotor motora ne može da odgovori i pokrene u bilo kom  pravcu.

Ako prethodno na neki način zaletimo rotor do brzine bliske sinhronoj, magnetne sile koje deluju između polova rotora (N’–S’) i obrtnog polja statora (Nob-Sob) obezbeđuju obrtanje polova rotora zajedno sa obrtnim poljem statora istom, sinhronom brzinom (kažemo da su se polja zakačila). Pri praznom hodu, kada na rotor motora ne deluje nikakav otporni momenat, ose oba magnetna sistema se poklapaju i na polove rotora deluju radijalne sile koje ne stvaraju ni obrtni ni otporni momenat. Sa povećanjem mehaničkog momenta povećava se električni (pogonski) momenat sinhronog motora sve dok se oba momenta u ustaljenom stanju ne izjednače. Pri tome ne dolazi do promene brzine, već se jedino menjaju uglovni odnosi između pojedinih obrtnih magnetnopobudnih sila i obrtnih flukseva. Međutim, kod suviše velikog opterećenja, ovi uglovi  postaju toliki t oliki da se vi više še ne može održati ravnoteža dvaju momenata i mašina iispada spada iizz stabil stabilnog nog rada (sinhronizacija se prekida i motor zaustavlja). Kada sinhroni motor radi samo u režimu paznog hoda pri promenljivoj struji pobude Ip naziiva se sinhroni ili fazni kompenzator  Vrednost pobudne struje može se regulisati, tako da motor  bude normalno pobuđen, slabo pobuđen ili prepobuđen. Ako je motor jako pobuđen (nadpobuđen), struja  I  predhodi naponu mre mreže že Um, tj. ona je kapacitivna u odnosu na taj napon, a ako je slabo pobuđen (podpobuđen) ona je induktivna. To jednostavno možemo objasniti delovanjem magnetne reakcije statora. Induktivna komponenta struje statora magnetiše magnetno kolo motora i tada on vuče iz mreže samo reaktivnu snagu za pokrivanje gubitaka, dok kapacitvna komponenta struje statora deluje obratno, razmagnećuje magnetno kolo motora i tada on šalje reaktivnu snagu u mrežu. Motori predviđeni da popravljaju faktor snage neke lokalne

 

mreže, moraju i konstruktivno za to biti izvedeni. Tada rotor mora da ima veću mps , a i namotaj statora da bude za veću struju, pa je i cena takvog motora veća. 2.4.3  PUŠTANJE SINHRONOG SINHRONOG MOTORA U RAD  Najveća teškoća kod sinhronih motora je puštanj puštanjee u rad. Naime, prostim priključi priključivanjem vanjem na mrežu rotor mašine se neće pokrenuti samostalno, ili kako mi to obično kažemo, sinhroni motor nema polazni momenat. Dakle, neka posebna mera mora biti izvedena bilo unutar ili van mašine koja će rotor dovesti do brzine okretanja koja je bliska sinhronoj. Zaletanje rotota do brzine dovoljne da on može ući u korak sa obrtnim poljem statora moguće je izvesti pomoću pomoćnog motora koji može biti motor sa unutrašnjim sagorevanjem, asinhroni ili motor jednosmerne struje. U ovom slučaju, kada brzina rotora dođe blizu sinhrone, prvo se uključi pobudni namotaj, a zatim se namotaj statora priključuje na mrežu. Naravno posle ulaska sinhronog motora u sinhronizam, pomoćni motor više nije potreban i isključuje se. Ovakvo  pokretanje nije pr praktično aktično jjer er za zahteva hteva meha mehaničko ničko spajanje, a zatim, na nakon kon oobavljenog bavljenog pokretanja, odspajanje osovine pomoćnog motora. Da bi se izbegla upotreba posebne mašine – motora za dovođenje rotora u sinhronizam, grade se rotori sinhronih motora sa posebno dodatim namotajem u vidu kaveza kao kod asinhronog motora. Pre puštanja u rad, u pobudni namotaj uključuju se odgovarajući radnirotora otpornici čiji je otpor i do desetak puta veći od njegovog aktrivnog otpora, čime se sprečava indukovanje visokog napona u njemu (i do 2 000 V ) koji bi mogao da izazove proboj izolacije. Strujne udare u mreži koji nastaju prilikom puštanja sinhronog motora u rad smanjujemo na taj način što se njegov stator preko prigušnica ili autotransformatora priključuje na smanjeni napon . Mašina kreće kao asinhrona, pri čemu zaletni kavez ima ulogu rotora u kratkom spoju. Kada motor pod ovim naponom krene i ubrza se, prigušnice ili autotransform ćuju, a sinhroni motor priključuje na puni napon mreže. Zatim se pobuđivanjem ostvaruju uslovi za ulazak u sinhronizam. Za razliku od motora sa elektromagnetnom pobudom, sinhroni motori sa stalnim magnetima na rotoru se puštaju u rad u pobuđenom stanju, zbog čega na rotor osim asinhronog obrtnog momenrta deluje i kočni momenat što donekle pogoršava njegova svojstva u pogledu puštanja u rad. Frekventno zaletanje je takođe često korišćena metoda puštanja sinhronog mora u rad. Upotrebom frekventnog pretvarača, frekvencija napajanja motora podešava se na nisku vrednost tako da se obrtno polje koje se stavara (oko rotora sa uključenom pobudom) obrće malom  brzinom dovoljnom da rotor može lako da ubrza i uđe u korak sa njim. Postepenim Po stepenim  povećavanjem frekvencij frekvencijee na izlazu frekventnog pretvarača povećava se i brzina obrtanja rotora motora koja se zatim dovede do nazivne sinhrone brzine obrtanja. Ovaj metod se obično sledi u slučaju invertorskog napajanja sinhronog motora koji rade u pogonima sa promenljivom  brzinom.

 

2.4.4  Prednosti i mane sihronog motora Prednosti sinhronog motora u odnosu na asinhroni motor su: 

 

Pri istoj snazi koju motor razvija može se menjanjem pobudne struje menjati jačina i stav, prema naponu, struje koju motor uzima iz mreže (t o se može iskoristiti za

 popravku faktora snage mreže na koju je motor priklj priključen). učen).  Manje su osetljivi na promene napona mreže u odnosu na asinhroni motor, pošto je njegov prevalni momenat srazmeran prvom stepenu napona , a ne kvadratu napona kao kod asinhronog motora.  



Pošto sinhroni motor radi sa faktorom snage cosφ=1, njegova struja , pa prema tome i dimenzije, manje su od struje i dimenzija asinhronog motora iste snage.



Dobar stepen iskorišćenja stoga što u rotoru sinhronog motora nema gubitaka u gvožđu, jer nema relativnog pomicanja polja u odnosu na rotor, a kod rotor a sa  permanentnim magnetima nema ni gubitaka u bakru.



Budući da su gubici rotora sinhronog motora sa permanentnim magnetima zanemarivi, nestaje i problem odvoda toplote s rotor a tj. pogonske osovine što je  posebno važno kod primene pri mene ovih motora u alatnim maši mašinama. nama.



Jednostavniji sistem upravljanja u odnosu na asinhroni motor što se može zahvaliti činjenici da je položaj magnetnog polja rotora, čvrsto određen položajem rotora



Ima stalnu brzinu obrtanja, bez obzira na mehaničko opterećenje na vratilu.



•Lak prelaz iz motornog u generatorski rad što omogućuje električno kočenje.

 

 

 

 

 

 



 

Pored prednosti koje smo nabrojali, sinhroni motori imaju sledeće nedostatke:   Ne mogu se na prost na način čin ppuštati uštati u rad, tj tj.. pokre pokreće će se sam, samo ako ima poseban  

namotaj za pokretanje(startni kavez) na rotoru ili se koristi invertor.  



Za pobuđivanje svog indukra (rotora) sinhroni motor sa električnom pobudom, zahteva poseban izvor jednosmerne struje što još više komplikujeupotrebu ovog motora.



•Nedostatak koji je vezan za motor sa permanentnim magnetima na rotoru je opasnostod demagnetizacije koja može nastati usled povećanja temperature, mehaničkih udara, struja kratkog spoja kao i mogućnost pojave privremene demagnetizacije usled izuzetno niskih temperatura.



•Brzina obrtanja može im se podešavati samo promenom učestanosti napajanja, jer se pri promeni broja pari polova ista mora obavitii na statoru i na rotoru a to bi izazvalo velike konstruktivne probleme.



•Kod preopterećenja ̋ispadne ̋ispadne iz koraka ̋̋ i  i stane pa ga je potrebno ponovo pokrenuti.

 

 

 

 



 

Svakako među nedostatke treba pomenuti i veću cenu u odnosu na asinhroni motor.

 Navedeni nedostaci sinhronih motora daju prednost primeni asinhronih motora pri snagama do 100 kW. Međutim, pri većim snagama, kada je važno imati veliki cosφ i manje dimenzije mašine, sinhroni motori imaju prednost u odnosu na asinhrone. Također, s pojavom novih drajvova za sihhrone motore, oni se u zadnje vreme uspešno koriste i na manjim snaga, naročito u svojstu servo motora.

 

2.5 KORAČNI MOTOR  

U razvoju tehnologije digitalnih sistema upravljanja, koračni motor je jedno od najintere santnijih otkrića. To je specifična komponenta u klasi izvršnih organa, kojom se može upravljati digitalnim procesorom bez posredstva D/A konvertora. Komercijalna eksploatacija ovih motora  počela je 60-ih godina kada je unapređena proizvodnje prekidačkih h tranzi tranzistora, stora, sposobnih da prekidaju jednosmerne struje tehnologija u namotajima motora.prekidački Brz razvoj digitalne elektronike omogućio je kvalitetnije upravljanje koračnim motorima, kao i veliku zainteresovanost inženjera za njihov dalji razvoj.

Slika: Koračni motor Koračni motor je elektromehanički pretvarač čiji je ulaz binarno kodovan naponski signal, a izlaz kvantovan ugaoni pomeraj određen ulaznim signalom. On je jedinstven element u klasi servo komponenti ukojima su ulazi promenljivi digitalni naponi, a izlazi kontin ualni ugaoni pomeraji. Diskretni ugaoni pomeraj zovese korak motora. 6.2.1. Vrste koračnih motora Postoji više vrsta koračnih motora. Ipak, svi oni se mogu svrstati u tri osnovne kategorije: motore promenljive reluktanse, motore sa permanentnim magnetom i hibridne motore. Zajednička karakteristika svih motora je sekvencijalno pobuđivanje njihovih stator skih namotaja električnim impulsima, pri čemu korak motora zavisi od broja faza i polova statora , odnosno magnetnih osobina i broja polova rotora. Stator, ili stacionarni deo koračnog motora ima više namotaja. Aranžman namotaja na statoru primarni je faktor koji pravi razliku između tipova step motora sa električne tačke gledišta. Sa električne i perspektive kontrolnog sistema, relukrantni motori su izdvojeni od drugih vrsta, dok motori sa permanentnim magnetom i hibridni motori mogu biti napajani korišćenjem bilo unipolarnih namotaja, bipolarnih namotaja ili bifilarnih namotaja. Svaki od njih je opisan u tekstu ispod. 2.5.1  Princi Princip p rrada ada Motori promenljive reluktanse zasnivaju se na pojavi elektromagnetne sile između  pobudnih namotaja statora i rotora od mekog gvožđa. Naime, pod dejstvom statorskog polja rotuoru se indukuju struje, koje, interagujući sa pobudnim poljem pokreću rotor. Smer obrtanja rotora je takav da magnetna reluktansa fluksa proizvedenog statorskim namo tajem bude minimalan.

 

  Koračni motori imaju stator sa namotajima i neuzbuđeni rotor. Stator ima paran broj  jednako razmaknutih polova (zubaca, zuba), svaki sa zavojnicom.   Broj zubaca rotora, statora, i  broj faza na statoru određuju veličinu koraka. Ovo sezove ugao koraka ili koračni ugao, i za  jednostavne motore motor e se da izračunati sa:

2.5.2  Unipolarni koračni motori Unipolarni koračni motori se sastoje od dva namotaja, svaki sa izvodom na sredini. Oba centralna izvoda su izvedeni van motora kao dve odvojene žice, kao što je prikazano na šemi slika 6.2.2, ili su povezani međusobno interno i izvedeni van motora, kao jedna žica. Kao rezultat toga , unipolarni motori imaju 5 ili 6 žica. Bez obzira na broj žica, unipolarni motori su  pogonjeni uvek u vek na iisti sti nači način. n. Žice ccentralnih entralnih iz izvoda voda su vezani za napajanje a kraje krajevvi namotaja se naizmenično uzemljuju. Slika dolje prikazuje poprečni presek unipolarni motor sa 30 stepeni po koraku. Namotaj motora označen sa 1 je raspoređen između gornjeg i donjeg pola statora, dok je namotaj 2 raspoređen između levog i desnog pola motora. Rotor je stalni magnet sa šest polova, tri severna i tri južna , raspoređeni naizmeničnopo obodu. Za veću rezoluciju ugla rotora, motor mora imati  proporcionalno veći broj polova.

 

Slika :Šema veze statorskog namotaja i poprečni presek unipolarnog motora Kako je prikazano na slici, struja koja teče od centralnog izvoda namotaja l do kraja namotaja (a) uzrokuje da gornji pol statora postane severni dok donji pol statora postaje južni. Ovo zakreće rotor na poziciju prikazanu na slici. Ako nema napajanja na namotaju 1 a napon se dovede na namotaj 2, rotor ćese zaokrenuti za 30 stepeni ili jedan korak. Da bi okretali motor konstantno potrebno je dovesti napon na dva namotaja uzastopno. Treba pomenuti da dve  polovine svakog svako g namotaja nisu pod naponom u isto vr vreme. eme. 2.5.3  Bipolarni koračni motori  

Slika Šema veze statorskog namotaja i poprečni presek bipolarnog motora Bipolarni koračni motori su konstruisani sa istim mehanizmom kao i unipolarni motori, ali oba namotaja su jednostavnije povezana bez centralnog izvoda, slika gore. Sam motor je  jednostavniji ali upravljanje stujnim krugovima je dosta složenije pošto je potreb no obrnuti  polaritet svakog ppara ara motorni motornihh polo polova. va. Za upravljanje upr avljanje strujnim kolom za ovakav mot motor or potreban  je H-mo H-most, st, za svaki namotaj. H-most dozvoljava da se napon na kraj krajuu svakog namotaja kontroliše nezavisno. Na donjim slikama prikazano je napajanje pojedinih namotaja bipolarnog motora , u više modova rada motora. Crvenom bojom je označen izvod na koji je trenutno doveden pozitivni napon napajanja.

 

  Slika: Monofazni mod - jednokoračni pomeraj

Slika: dvofazni mod - jednokoračni pomeraj ali veće snage

 

  Mod polukoraka, dvostruko manji pomeraj osovine 2.5.4  Motori sa bifilarnim namotajem Motori sa bifilarnim namotajem su indetične geometrije statora i rotora kao i bipolarni motor ali sa jednim izuzetkom – svaki namotaj se satoji od dve žice namotane paralelno, slika dolje. Kao rezultat, bifilarni motori imaju osam žica umesto četiri u poređenju sa bipolarnim. U  praksi,motori sa bifilarnim namotajima na motajima se uvek napajaju ili kao unipolarni ili kao ka o bipolarni.

Slika Šema veze statorskog namotaja i poprečni presek bifilarnog motora Da bi upotrebili bifilarni motor kao jednopolarni motor, dve žice svakog namotaja je potrbno vezati serijski a čvorove žica koristiti kao centralni izvod. Namotaj 1 na slici 6.2.4. je spojen na ovaj način. Da bi bifilarni motor koristili kao bipolarni motor, dve žice svakog namo taja treba spojiti ili serijski ili paralelno. Namotaj2 na slici je prikazan sa paralelnom vezom. Ako

 

ignorišemo centralni izvod, namotaj 1 omogućuje operaciju u kojoj kada udvostučimo napon, upola manje struje nam je potrebno nego sa namotajima vezanim paralelno. 2.5.5  Upravljanj Upravljanjee koračnih motora Osnovno kontrolno kolo koračnog motora sa promenljivom reluktansom prikazano je na donjoj slici.

Kontrolna jedinica je odgovorna za davanje kontrolnih signala koji upravljaju radom MOSFET tranzistora u cilju obrtanja motora. U većini slučajeva, kontrolna jedinica je mikorkontroler sa softverom koji direktno generiše izlazne signale potrebne za kontrolu tranzistora. Motor je ovde tipično induktivno opterećenje. Kao takvi, struja kroz namotaj motora ne može da se uključuje i isključuje bez ogromnih vrednosti napona. Zbog toga prilikom  preklapanja tranzi tranzistora stora (prela (prelazak zak iz stanja vođenja u stanje kada nevodi) dolazi do pojave naponskog ’’šiljka’’ koji može ozbiljno da ošteti MOSFET ukoliko se ne preduzmu mere da se ova pojava neutrališe. U tu svrhu paralelno sa namotajem motora vezuju se diode, kao što je vidljivo na slici 6.2.8. Ove diode moraju biti adekvatno dimenzionisane, tj. one moraju biti u sposobne da provedu punu struju motora. Osnovno kontrolno kolo za unipolarni motor, prikazano na donjoj slici, slično je onim za motore sa promenljivom reluktansom, uz tu razliku što postoje dodatne diode oko MOSFET tranzistora. One su neophodne zbog centralnih izvoda na uduktoru unipolarnog motora. Kada se jedan kraj namotaja motora isključi, drugi kraj će se napajati i obrnuto. Ove diode štite da napon ne opada na potencijal niži od potencijala mase preko tranzistora. MOSFET tranzistori imaju integrisane diode koje omogućavaju da struja u suprotnom smeru teče nesmetano. Kada se takvi tranzistori koriste, i ako te integrisane diode imaju dovoljan kapacitet provodnosti struje, da sprovedu punu struju motora, donje diode prikazane na donjoj slici mogu biti izostavljene. Sve diode treba da imaju brzine uključivanja koje odgovaraju tranzistorima. tranzistorima.

 

  Slika : Kontrolno kolo unipolarnog koračnog motora Stvari su složenije za bipolarne koračne motore sa stalnim magnetom jer oni nemaju centralni izvod na njihovim namotajima. Prema tome, da bi promenili smer polja koje stvara namotaj motora moramo da promenimo smer struje kroz namotaj. Može da koristimo elektronsku zamenu za takav prekidač, a to je H-most koji je prikazan na donjoj slici .

Slika: Kontrolni sklop bipolarnog koračnog motora sa stalnim magnetom Tranzistori korišćeni u H-mostu moraju da budu zaštićeni od pojave takozvanog naponskog ’’šiljka’’ izazvanog isključivanjem napajanja na namotaju motora. Ovo se uobičajeno radi  pomoću dioda kao što je i prikazano na slici. Pozivajući se na sliku, struja će teći sa leva na desno u namotaju 1 kada su tranzistori T 1i T4 uključeni a T2 i T3 isključeni,a u suprotnom smeru kada su T2 isključeni. H – mostovi imaju jedan bitan nedostatak koji koji bi trebalo spomenuti. Niukom slučaju tranzistori sa iste strane mosta ne smeju biti istovremeno uključeni. To bi izazvalo kratak spoj koji bi oštetilo kontrolno kolo. Posebnu pažnju treba obratiti, da se isključe svi tranzistori pre nego što se uključi sledeći set tranzistora Diode koje su vezane paralelno sa svakim od tranzistora, štite MOSFET tranzistore od  prenapona prouzrokovanih pro uzrokovanih pr prekopčavanjem ekopčavanjem induktora. O Ove ve diod diodee moraju biti adek adekvatne vatne veliči veličine ne

 

u cilju sprečavanja oštećenja tranzistora ili samih dioda. Kao i kod unipolarnih motora, neki MOSFET tranzistori mogu imati integrisane diode, u stvari, takvi MOSFET tranzistori su korišteni u šematskom prikazu na slici 6.2.10. Ako su one u stanju da sprovedu punu struju motra, dodatne diode mogu biti izostavljene. 2.5.6  Prednosti i mane koračnih motora Prednosti koračnih motora su: • Jednostavne su konstrukcije i ne zahtevaju održavanje. • Precizno pozicioniranje i ponovljivost pokreta, budući da dobri koračni motori imaju grešku od 3-5% od ukupnog koraka. • Veoma su pouzdani jer nemaju kontaktnih četkica u motoru. Osim toga, životni vek motora  jednostavno zavisi od životnog veka ležajeva. • Može se realizovati široko područje raspoloživih brzina, jer je brzina proporcionalna frekvenciji ulaznih impulsa. • Odličan odziv na zalet, zaustavljanje i promjenu smjera. • Velike funkcijske mogućnosti. • Na rotoru nema namotaja. Time su redukovani gubici na rotoru, što je jako značajno jer nema efikasnog načina za odvođenje toplote sa rotora. Takođe je eliminisana i opasnost od razletanja rotorskog namotaja usled dejstva centrifugalnih sila pri velikim brzinama obrtanja.  Nedostaci koračnih kora čnih motora su: • Ne mogu funkcionisati bez energetskog pretvarača. • Mogućnost pojave rezonancije ako nije adekvatno upravljanje. •Rad neprikladan i teško ih je upravljati na velikim brzinama. •Fiksan korak. • Ograničene mogućnosti mogućnosti po pokretan kretanja ja tereta s velikim momentom inercije. • Upravljački algoritmi se bitno menjaju sa svakom izmenom geometrijskih ili magnetskih osobina motora.

2.6 Motori jednosmerne struje  

Motori jednosmerne struje su zbog svojih veoma dobrih funkcionalnih karakteristika nekada predstavljali često rešenje u električnim postrojenjima i pogonima. Zbog veće cene, složenijeg i skupljeg održavanja, manje pouzdanosti i kraćeg veka trajanja, danas se motori  jednosmerne  jednosmer ne struje sve više potiskuju od strane jefti jeftinih, nih, jednosta jednostavnih vnih i robustnih električnih

 

motora za naizmeničnu struju, upravljanih mikroprocesorima i napajani energetskom elektronikom.

Slika 5.1. Motor jednosmerne struje 2.6.1  OSNOVNI KONSTRUKTIVNI ELEMENTI Motor jednosmerne struje sastavljen je od tri glavna dela. To su: stator, rotor i kolektor (komutator).

Slika :. Stator motora jednosm jednosmerne erne struje Stator  prikazan na gornjoj slici je nepokretni deo mašine. Sastoji se od kućišta (oklopa,

 jarma), magnetnih polova i namotaja postavlje postavljenih nih oko jezgra ovih polova. Kućište objedinjuje sve delove mašine u jednu celinu i istovremeno služi kao deo magnetnog kola. Zbog toga se najčešće gradi od livenog čelika sa malom primesom ugljenika koji ima dobra magnetna i mehanička svojstva. Po obimu oklopa, sa unutrašnje starne, montiraju se glavni i pomoćni polovi (tj. polna jezgra) izrađeni ili od livenog čelika ili tankih međusobno izolovanih magnetnih limova, oko kojih se smestaju navoji pobude odnosno pomoćnih polova. Glavni polovi se završavaju širim delom pod nazivom polni nastavak, koji se sa obe bočne strane produžava u dva polna roga.. Polni nastavci ili polne papučice se uvek grade od magnetnih

 

limova, jer u njima mogu nastati vrtložne struje zbog blizine promenljivog magnetnog fluksa rotora. Zadatak im je da što više i ravnomernije obuhvate rotor, te da na taj način što pravilnije raspodele linije magnetnog polja na rotoru. Magnetni polovi su pomoću zavrtanja pričvršćeni za stator, a isto tako i polni nastavci za jezgro pola. Kod motora manjih snaga (ispod 200W), na statoru se upostavljaju magneti, magnetom, kom slučajustalni na statoru nema pobudno namotaja. magnetno polje se stvara permanentnim Rotor nosi namotaje, prenosi naizmenični fluks, kao i obrtni momenat. Rotorski paket je

izrađen od izolovanih limova stegnutih na pogodan način. Paket je za osovinu fiksiran pomoću klina. Ovako pogodno konstruisan i izrađen rotor ima smanjene gubitke energije usled delovanja vihornih struja koje se javljaju pri obrtanu rotora u magnetnom polju. U paketu rotora se nalaze aksijalni kanali za strujanje rashladnog vazduha. Međutim, hlađenje je poseban problem koji se rešava ugradnjom ventilatora, ugradnjom izmenjivača voda – vazduh i na druge načine.  Namotaji rotora rot ora sme smešteni šteni su u žlebo žlebovima vima i iizvode zvode se kao jednosl jednoslojni ojni ili dvoslojni. Izrađuju se od  bakarnih provodnika, pro vodnika, okruglog il ilii profilnog oblika, ppažljivo ažljivo izolo izolovanih vanih i spojenih kao petljasti ili talasasti, čiji su krajevi spojeni za kolektor. Svi namotaji su impregnisani u smislu ostvarivanja velike izolacijske otpornosti, visoke dielektrične čvrstoće i dobrih toplotnih svojstava, uz normalnu otpornost na uticaje okoline. Kolektor  ili komutator je važan deo motora jednosmerne struje. Ima oblik punog valjka koji se nalazi na istoj osovini gde i rotor (donja slika). Sastoji se od velikog broja bakarnih segmenata, tzv. lamela, koje su međusobno i prema gvozdenom telu izolovane. Za izolaciju se najčešće upotrebljava liskun i tinjac, tzv. kolektorski mikanit debljine 0.6 do 1.2mm. Izolacija između lamela je potpuno jednaka i mora biti niža od samih lamela da ne bi došlo do stvaranja neravnina što bi izazvalo varničenje, a time i oštećenje kolektora. S unutrašnje strane, kako je  prikazano na donjoj slici, lamele su izrezane u obliku lasti lastinog nog repa. Učvršćivanje lamela na valjak koji je napravljen od livenog gvožđa vrši se pomoću steznih prstenova i metalnih vijaka. Spojna žica ili traka od namotaja rotora vežu se za lamelu kolektora lemljenjem.

Slika : Komutator motora za jednosmer jednosmernu nu sstruju truju

 

Kod morora malih snaga kriške (tj.lamele) kolektora se često upresuju u plastičnu masu . Takva konstrukcija je prosta za izradu, ali se primenjuje samo za brzine do 10 000 o/min. Uz kolektor dolaze četkice koje se upotrebljavaju radi dobijanja električnog kontakta sa  površinom kolektora u smi smislu slu oodvoda dvoda i dovoda struje na kolektor. Smeštaju se u držače ččetkica etkica tako da su normalne na kolektor ili eventualno malo nagnute u smeru obrtanja rotora. Pritisak četkice mora da je konstantan nezavisno od istrošenosti, pošto samo tako možemo smanjiti varničenje. Četkicejjjjđb zđcsh su izrađene od elektrografita, uglja, ugljenog grafita, metalnougljene smese ili sl. Za normalne uslove rada primenjuju se ugljeno-grafitne četkice, međutim za  posebne uslove komutacije ko mutacije prime primenjuju njuju se tehnološka re rešenja šenja koja optimiz optimizuju uju varničenje. 2.6.2  . PRINCI PRINCIP P RADA 

Princip rada motora jednosmerne struje zasniva se na dinamičkim dejstvu električne struje . To se najlakše može objasniti na pojednostavljenom prikazu motora.

Slika : Pojednostavljeni prikaz motora za jednosmernu struju Ovde je pobudno polje predstavljeno permanentnim magnetom. Namotaj indukta koji je bez gvozdenog paketa i prikazan s nekoliko navojaka, preko kolektora s četkicama spojen je na izvor  jednosmernog Kolektor čine či ne jednog provodni bakarni segmenti (lamel (lamele) e) kojikolektora. su međusobno izolovani, tako napona. da je svaki provodnik navojka spojen na jedan segment Treba napomenuti da je namotaj indukta zajedno sa kolektorom rotirajući, a da četkice sa nosačima miruju. Ako se priključi napon na motor, onda će struja indukta proteći kroz onaj navojak (navojke) namotaja čiji su krajevi spojeni na one lamele kolektora koje su u tom trenutku kratko spojene sa četkicama. Usled uzajamnog delovanja struja u provodnicima indukta i formiranog magnetnog polja pobudnog namotaja, javiće se kretni elektromagnetni momenat pod čijim delovanjem indukt mašine počinje da se obrće. Ovaj elektromagnetni momenat srazmeran je korisnom magnetnom fluksu po polu statora Φ i struji indukta Iii može se napisati kao:

 

  Gde konsta konstanta nta proporci proporcionalnosi onalnosi k m, zavisi od konstruktivnih podataka (broja pari polova  p, broja paralelnih paral elnih grana, te broja provodnika N). Zahvaljujući delovanju kolektora struja u namotaju indukta se menja, tako da u provodnicima koji prolaze ispod severnog (odnosno južnog) pola statora smer struje ostaje uvek isti. Na taj način se obezbeđuje konstantan smer delovanja elektromagnetnih sila, a samim tim i konstantan znak obrtnog momenta.Okrećući se namotaji indukta seku linije magnetnog polja, i u njima se indukuje elektromotorna sila. Smer indukovane ems je takavda se suprostavlja dovedenom naponu mreže pa se radi toga i naziva kontraelektromotorna sila. Vrednost kontra ems zavisi od  jačine magnetnog magnetno g fluksa Φ i od broj brojaa obrtaja rotora, tj tj.:.:  E = k enΦ 

Gde je k e konstrukciona konstanta, dakle veličina nepromenljiva za datu mašinu; ona iznosi: ke= pN/(60a)  

Kao što smo videli, motor će se okretati kada mu dovedemo električnu struju iz mreže,a da  bismo izmenili smer obrtanja treba promeniti smer elektromagnetnog momenta koji deluje na indukt. Prema izrazu za momenat motora, to se može ostvariti na dva načina: izmenom smera struje Ii  u namotaju indukta ili izmenom smera magnetnog fluksa Φ, odnosno pobudne struje. Znači, da bi promenili smer obrtanja motora potrebno je prevezati ili provodnike koji dovode struju do namotaja indukta, ili one koji dovode struju do pobudnog namotaja. Ako bi istovremeno prevezali i jedne i druge, motor bi nastavio da se okreće u istom smeru. 2.6.3  VRS VRSTE TE MOTORA PREMA NAČINU POBUĐIVANJA Svojstva motora za jednosmernu struju određena su uglavnom načinom stvaranja njihovog  pobudnog polja u statoru. U tom ppogledu ogledu se motori dele del e na dve grupe: 

sa nezavisnom pobudom, najčešće permanetnim magnetom.



sa sopstvenom pobudom ili autoeksikacijom.

 

 

Ova poslednja grupa sastoji se od tri vrste mašina: • sa paralelnom ili pobudom (paralelni motor). • sa rednom ili serjskom pobudom (redni motor). • sa složenom pobudom ili kompaudacijom (složeni motor). 2.6.3.1   Paraleln Paralelnii motor m otor Paralelni  elektromotori jednosmerne struje imaju pobudni namotaj paralelno spojen sa

namotajem indukta (slika 5.7.a), pa je napon priključen na stezaljkama motora istovremeno i napon koji vlada na krajevima rotorskog i pobudnog namotaja U = Ui = Up

 

  Slika Paralelni motor: a) ššema ema vezivanja b) zavisnost brzine i momenta od opterećenj opterećenjaa Karakteristično svojstvo ovog motora je da njegova pobudna stuja I p ne zavisi od struje indukta Ii, pošto je napajanje pobudnog namotaja u suštini nezavisno. Prema tome, ukoliko pri konstanom U zanemarimo razmagnećujuće de delovanje lovanje reakcije re akcije indukta, možemo smatrati da magnetni fluks ostaje stalan sa promenom opterećenja. Pri ovom uslovu, elektromagnetni momenat i brzina obrtanja motora linearno su stazmerni struji opterećenja: M = k m Φ Ii n= U − R  I   i/( k eΦ)   iI  /(  Na gornjoj slici prikazane su zavisnosti momenta i brzi brzine ne od optereće opterećenja nja paralenog motora. Pošto se proizvod R iIi, relativno malo menja i retko prelazi 5% od napona mreže pri nominalnom opterećenju motora, to se i sama brzina obrtanja reletivno malo menja sa povećanjem opterećenja. Zbog ove osobine motor sa paralenom pobudom naziva se još i motorsa stalnom  brzinom. U slučaju kada je pobuda ostvarena permanentnim magnetima ili namotaj pobude priključen na  poseban izvor napona, nezavisan od struja i napona koji vladaju u mašini, dobijamo motor sa nezavisnom pobudom. Osnovne karakteristike ovih motora analogne su karakteristikama motora sa paralenom pobudom, pa sve gore navedeno za otočne motore važi i kod ove vrste motora. 2.6.3.2  Red Redni ni motor m otor

Kod motora sa rednom pobudom namotaji pobude i indukta spojeni su u seriju, pa celokupna struja opterećenja protiče kroz njihI = I p  = Ii. Zbog toga, ukoliko se gvožđe ne nalazi u magnetnom zasićenju ( pri I ≤ 0.8I n), pobudni fluks je srazmeran struji opterećenja: Φ = kI Tada, elektromagnetni momenat ovog motora postaje:  M = k mkI 2 = k′ mI

 

  Slika Redni motor: a) šema vezivanja b) zavisnost brzine i momenta od opterećenja Dakle, kod rednog motora momenat je srazmeran kvadratu struje opterećenja, gornja slika Ovo je značajna osobina motora sa rednom pobudom. Stoga se ove mašine i koriste kao snažni motori koji trebada razviju veliki momenat, jer će ga oni razviti pri manjim opterećenjima nego paralelni, tj. sa manjim opterećenjem mreže.  Na slici. data je i promena bro broja ja obrtaj obrtajaa n u zavisnost zavisnostii od optere opterećenja ćenja motora n = ƒ(Ι). Kao što se vidi, broj obrtaja je hiperbolička funkcija struje opterećenja I. Ovde je važno uočiti da ako otporni momenat, tj. struja I, opada, onda se mašina ubrzava da bi nadoknadila kontraelektromotornu silu koja je uvek u ravnoteži sa konstantnim naponom mreže. Pri suviše malom opterećenju, rad motora postaje nestabilan, brzina obrtanja naglo raste i pri rasterećenju mogla bi da naraste do te mere da dovede do oštećenja mašine. Zbog toga je primena ovih motora ograničena na pogone kod kojih je minimalno opterećenje barem 15 – 20% od vrednosti nominalnog. 2.6.3.3   Složeni motori

Složenisamotori imaju dvaindukta, pobudna jedan kojinajeslici spojen drugi kojistvaraju je spo  jen paralelno sa namotajem kaonamotaja; što je prikazano .O .Ova varedno ddva va inamotaja magnetna polja koja mogu biti takva da se međusobno potpomažu ili deluju jedno nasuprot drugom.  Na ovaj način se mogu postići motori sa potpuno nezavisno nezavisnom m brzinom obrtanja od opterećenja jer je moguće podesiti da pobudno polje opada sa porastom opterećenja podjednako sa promenom struje, tako da je uvek n = const .

 

  Slika: Složeni motor a) šema vezivanja b) zavisnost brzine i momenta od opterećenja Zbog navedenih osobina složeni motori su najpogodniji za pogon radnih mašina sa zamajcem i uopšte su pogodni za pogon teških alatnih mašina : makaza, presa itd. 2.6.4  POKRETANJE MOTORA JEDNOSMERNE STRUJE Pri polasku motora, tj. u momentu priključenja na mrežu, rotor motora trenutno još miruje , pa je i njegov indukovani napon jednak nuli  E = k enΦ = 0. Vrednost struje pokretanja I pol u tom momentu zavisi samo od dovedenog napona mreže U i aktivnog otpora namotaja indukta R i (ukoliko se radi o rednom motoru, ondau obzir dolazi još i aktivni otpor pobudnog namotaja R  p p), dakle polazna struja je:

Pošto je otpornost namotaja indukta (izuzev za sasvim male motore) veoma mala, jasno je da će vrednost struje koju motor povlači iz mreže u momentu uključenja biti vrlo velika, čak 10 do 15  puta veća od nominalne. nomi nalne. Ovako velika veli ka vrednost pola polazne zne struje može biti veoma opasna po motor,  jer, prvo, skoro redovno dovodi do pojave varni varničenja čenja na kolektoru, i drugo, pri ovakoj struji motor razvija veliki polazni momenat koji može da dovede do mehaničkog oštećenja. Osim toga, velika polazna struja ima za posledicu nagli pad napona u napojnoj mreži, što može nepovoljno da utiče na druge prijemnike priključene na tu mrežu. Da bi smo izbegli svu ovu opasnost, tj. da bi smo pri pokretanju motora sprečili nastanak struje vrlo visoke vrednosti, na red sa namotajem indukta vezujemo otpornik za puštanje u rad (tj. pokretač, upuštač). Vrednost otpora pokretača određuje se tako da stuja pri puštanju motora u rad ne bude mnogo veća, npr. najviše dva puta, od nominalne. U momentu polaska motora uključen je čitav otpor pokretača, koji se zatim sa porastom brzine postepeno isključuje sve dok se ne postigne nominalna brzina, kada je otpor u potpunosti isključen. Otpornici za puštanje u rad mogu ponekad da služe i za regulisanje brzine obrtanja, ali tada moraju da trajno izdrže punu struju opterećenja motora. Ako služe samo za pokretanje, onda su dimenzionisani za kratkotrajan

 

rad i kao takvi su znatno jeftiniji. Kod motora manjih snaga (obično do 1kW) relativne vrednosti otpora indukta su veće, tako da nije potrebno koristiti otpornike za puštanje u rad jer je struja puštanja neznatno veća od naznačene. Ipak, i kad to nije slučaj (kod kvalitetnih motora) često se koristi procedura tzv.  soft  start, tj reguliše se početna struja kroz motor pomoću elektronike za regulaciju brzine motora.

 

2.7

 

MODELOVANJE JEDNOSMERNOG MOTORA

2.7.1  Matematič Matematički ki m model odel DC motora sa stalnim magnetom na rotoru Jednosmerni motori spadaju u rotacione električne mašine kod kojih se vrši pretvaranje električne u mehaničku energiju rotacionog kretanja. Pripadaju dvopobudnim sistemima, jer imaju dva namota, statorski i rotorski. Kada se namoti priključe na izvor napajanja kroz njih će se uspostaviti tok struje. Na donjoj slici prilazana je električna šema statorskog i rotorskog namotaja.

Slika 1.1. Električna šema statorsk statorskog og i rotorskog namotaja DC motor

Matematički model mašine za jednosmernu struju sa po jednim namotom na statoru i na rotoru opisan je jednačinama 1 ) u a  Ra  ia     La 

dia

 e 

dt  di 2) uS    RS   iS   LS   S    dt  Gde su uS , ua  – naponi statorskog i rotorskog namota , iS , ia  - struje sstator tatorskog skog i rotorskog namota ,  RS , Ra – otpornosti namota

 

Ako uzmemo u obzir elektromehanički moment motora, moment opterećenja, trenje i moment inercije i uključimo ih u razmatranje modela DC motora dobijamo sledeću šemu

3) T em   k 1  i a  

Gde su

Tem  - elektromehanički moment motora k 1 

- konstanta momenta

1 predstavlja vezu izmedju struje armature i momenta koji se razvija na vratilu. Koeficijent Konstanta momentak    k  ),pa se   1  proporcionalan je fluksu pobude (koji zavisi od struje pobude i P ),pa elektromehanički moment motora može predstaviti u i obliku:

T em    K t   f  ia   Gde su

K t - konstant polja Φf - pobudni fluks 4) e  k 2     

 

Koeficijent k 2,2, konstanta napona, predstavlja vezu između indukovane  EMS  u   u namotajima i ugaone brzine vratila motora. Konstanta napona je proporcionalna fluksu pobude  



e



di   1   U a  ia Ra  L a   

dt   k 2 k 2   U ustaljenom stanju brzina promene struje ia je jednaka j ednaka nuli, pa na oosnovu snovu to toga ga dobija dobijamo mo  jednačinu:  



1 U    a  i a Ra    k 2

 



T    1    U a  R a em    k 2   k 1  

Odakle vidimo jednostavnu linearnu vezu između brzine i napona na rotoru. To znači da se regulacija brzine u opsegu od nulte do nominalne vrednosti postiže jednostavno promenom napona na rotoru. Smanji Sman jivanjem vanjem po pobudne budnekojistruje mogu moguće će jeda povećanje iznadregulacije nnominalne ominalnebrzine vrednosti, tada se smanjuje vrednost momenta motor može razvije. Osim lako jeali uočljiva  jednostavna veza momenta motora i struje rrotora, otora, postoji ddirektna irektna proporcionalno proporcionalnost. st. Ove osobine čine i danas ovaj motor atraktivnim za primenu. Pobudna struja je male vrednosti, po pravilu za red veličine manja od rotorske struje, zato pobudni namot ima veliki broj navojaka izveden sa tankom žicom.

Zavisnost brzine motora od elektromehaničkog momenta

5) T em  T wl    Bwn  J 

dwn   dt 

Jednačina predstavlja Njutnovu jednačinu kretanja (obrtanja) vratila motora, gde su: Twl   - moment opterećenja

 

Wn  - ugaona brzina  J  B

- moment inercije rotora - koeficijent trenja

2.7.2  Snaga DC motora

Jednačina za električnu snagu glasi:

 P e  ea   ia   K e  f  wnia  

Pri čemu je  f   K  f i f  .

Elektromotorna sila e koja se indukuje u namotajima rotora

ea   K 2  f  wn   Jednačina za mehaničku snagu glasi:  P m  wnT  em   K   f  ia wn   1

 pri čemu je

T em    K 1 f ia   Ako se sva električna snaga pretvori u mehaničku dobijamo P m=Pe  2.7.3  Grafički model DC motora m otora

Ako matematički model jednosmernog motora predstavimo u režimu malih signala dobijamo sledeće  jednačine:

U a  ea  Ra  ia  La 

d  ia    dt 

 

 

e  k    2  wn   T em   k 1  ia  

d 

T em  T wl   B  wn  J 

wn  

dt  Kad se jednačine prebace u S domen:

U a  s    E a   s    Ra  sLa  I a  s    E a  s    k 2  wn  s    T em  s    k 1  I a  s    T em  s   T wl   s    B  sJ wn  s   

Ove jednačine se sad mogu iskoristiti da se motor predstavi u obliku blok dijagrama. U ovom slučaju je to sistem sa zatvorenom povratnom spregom. Time se simulira uticaj veličina sa izlaza na ulazne veličine. Tako recimo kad povećamo opterećenje na izlazu, tačnije na rotoru, smanjiće se brzina, pa će se zbog toga povećavati struja jer motor hteti da zadrži istu brzinu. Iz prve jednačine se dobija

U a  s   E a  s     Ra  sLa   I a  s      I a  s 

  a  s   E a  s  U   Ra   sLa

 

Jednačina se dalje može predstaviti blok dijagramom slika 3.1. Struja  I a  predstavlja predsta vlja str struju uju motora kojeg želimo da modelu modelujemo. jemo.

 

  Slika 3.1 Struja Ia predstavl predstavljena jena pomoću blok dijagrama

Iz momentne jednačine se transformacijom dobija:

T em  s   T wl   s    B  sJ W n  s       s  T wl  s T  W n  s   em    B  sJ 

Momentna jednačina nam pokazuje uticaj elektomehaničkog momenta i momenta opterećenja na ugaonu brzinu motora u zavisnosti od parametara motora, magnetne indukcije u motoru  B  i momenta inercije motora  J . Uticaj momenata modelujemo blok dijagramom  prikazanom na donjoj do njoj slici. 

Slika Uticaj elekt elektomehaničko omehaničkogg momenta i momenta oopterećenja pterećenja na uga ugaonu onu brzinu motora

 

  Veza između izlaza i ulaza prikazana je jednačinom pomoću konstante k 2, koja povezuje ugaonu brzinu na izlazu sa indukovanom EMS na rotoru. Kada se gore navedena dva bloka  povežu u celinu zajedno zaje dno sa povratno povratnom m spregom, dobij dobijee se kompletan mate matematicki maticki model motora.

Izgled kompletnog blok dijagrama prikaza prikazann je na donjoj slici.

Slika: Blok dijagram motora Jasno se vidi uticaj promene brzine obrtanja motora na struju  Ia, kao i uticaj spoljašnjeg momenta na brzinu obrtanja motora. Brzina obrtanja motora zavisi od napona napajanja. Kada nema spoljašnjeg momenta, pri konstantnom naponu napajanja motor će se okretati određenom brzinom. Kada mu se dovede spoljašnji moment, tj. kad ga opteretimo brzina će mu se smanjiti. Pri konstantnom naponu napajanja, a to znači kad nema regulacije ta brzina će se smanjiti i ostati takva.

2.8 PID regulacija  

Svaki sistem automatskog upravljanja se odlikuje određenim zakonom ili zakonima upravljanja. Zakon upravljanja predstavlja matematičku zavisnost na osnovu koje upravljački uređaj obrađuje relevantne signale i generiše odgovarajuća upravljačka dejstva. Najčešća forma ovakvih upravljačkih uređaja se naziva regulator ili kontroler. PID kontroleri se nalaze u velikom broju u svim industrijama. Mogu se naći u mnogo različtih formi, pakovanih kao standardne proizvode koji se fabrički proizvedu u milione komada godišnje. PID kontroleri su takođe umetnuti u svim vrstama kontrolnih sistema posebne svrhe i namene.

 

  Ovi kontroleri imaju nekoliko važnih funkcija: oni obezbeđuju povratne sprege, imaju mogućnost da elimini eliminišu šu stacionarno sstanje tanje int integralnim egralnim dejstvom, ooni ni mogu predvideti ponašanje sistema i mogu ssee naći na kraju sa pokretačem suturacije. Mnogo dobri dobrihh ppostupaka ostupaka kontrol kontrolee je izdejstvovano u njima. PID kontroleri su takođe umešani u mnoge probleme kontrolisanja,  pogotovo gde su dinamič dinamički ki procesi pokret pokretačke ačke snage i bbez ez pretenzij pretenzijaa izvod izvodee zahtev. Kod motora oni su najviše koriste kada je potrebna regulacija brzi brzine, ne, aali li moguće je pom pomoću oću PID regulatora kontrolisati i momenat motora. Mikroprocesor je imao dramatični uticaj na PID kontrolere kao i na druge vrste elektronike i veliki broj od ovih danas proizvedenih u osnovi imaju mikroprocesore. Mikroprocesori nudi interesantne mogućnosti koje obezbeđuju dobro automatsko podešavanje kao i podešavanje sporih operacio operacionih nih uslova. Svrha samopodešavanje ( eng. autotuning   ) znači da su parametri kontrolera automatski podešeni na zahtev operatora ili spoljašnjeg signala, i prilagođavanje (adaptacija ) znači da se parametri kontrolera stalno učitavaju. 2.8.1  PID kontrola-osnovni algoritam PID regulator je najpoznatiji algoritam kontrole. Većina povratnih sprega je regulisana ovim algoritmom ili sa njegovim manjim varijantama. To je sistem sa mnogo različitih formi, kao samostalan regulator ili kao deo DDC sistema . Više hiljada sprava i inženjera kontrole širom sveta koriste takve regulatore u svakodnevnom radu. PID algoritam može da se dobije iz mnogo različitih načina. Može se posmatrati i kao sistem kojim se može podešavati ručno uz nekoliko  pravila ali takođe t akođe može i analitickim putem putem.. Osnovi algoritam PID-a:

 

  Parametri regulatora su: pojačanje K ,



 

vreme integracije Ti , 



 

vreme diferenciranja T d .  

Proporcionalno dejstvo 

Kod proporcijalne regulacije je izlazna veličina definisana relacijom: u(t)=Kp*e(t) gde je e(t) greška, a Kp statičko pojačanje sistema. Ovo je najprostija forma povratnih sprega. Podrazumevajućijednostavan krug povratne sprege,  pokazan na slici 1. sastoji sa stoji se od rregulatora egulatora i procesa.

Slika: Blok dijagram proste povratne sprege Povećanjem Kp smanjuje se odstupanje upravljane veličine, a brzina odziva sistema se  povećava. U isto vreme vre me se povećava br brzina zina reagovanja i smanjuje pretek st stabilnosti abilnosti si sistema. stema. Integralno dejstvo 

Glavna funkcija integralnog dejstva je da osigura da će izlaz imati upravljanje ali sa nultom greškom u ustaljenom stanju. U proporcionalnoj kontroli, neophnodno je imati grešku kako bi

 

imali signal koji je različit od nule. Uvođenjem integralnog regulatora se povećava inertnost sistema, što znači da sistem sporije reaguje na spoljne uticaje, ali zato u većini slučajeva trajno otklanja grešku rada sistema u stacionarnom stanju. Negativna osobina ovog tipa regulatora je i destabilizujuće dejstvo u sistemu usled kašnjenja, koji za posledicu moze dovesti sistem u nestabilno stanje. Kod integralne regulacije ostvaruje se integralni zakon upravljanja: gde je Ki integralna konstanta.

 

() = ∫  ∫  () 

Diferencijalno dejstvo 

Kod diferencijalne regulacije upravljana veličina ima zavisnost od brzine promene greške, oblik ednačine diferencijalnog regulatora je:

()  ) = se on kombinuje sa nekom drugom vrstom Uvođenje ovog regulatora ima smisla (kada regulacije, pošto njegovo dejstvo je jednako nuli kada je sistem u ustaljenom stanju. On reaguje na brze promene u sistemu, i doprinosi njegovoj stabilnosti. Samostalno postojanje diferencijalnog dejstva nema mnogo smisla, jer je u ustaljenom režimu rada signal greške konstantan, te je izvod ovog signala jednak nuli. Zbog osobine da je  promenljiva  promenlji va u(t) proporcionalna proporcional na brzi brzini ni promene (prvom izvodu) greške u vvremenu remenu vidi se da bi D regulator reagovao samo na brze promene dok spore i dugotrajne promene ne bi prouzrokovale nikakvo dejstvo ovog regulatora. Kombinovanjem sa P i/ili I regulatorom, ovaj regulator dobija na značaju, posebno u prelaznom režimu rada sistema. Njegovo postojanje omogućava bolje praćenje dinamike sistema, jer se njime prati pr ati veličina promene gre greške, ške, a ne sa samo mo njena ap apsolutna solutna vvrednost. rednost. Uvođenj Uvođenjem em diferencijalnog regulatora se povećava stabilnost i brzina reagovanja sistema. Kombinacijom ova tri regulatora dobija se PID regulator, koji ima jednačinu:

  ()   1    () =  +    () ++    = () +     () + +  ()  PID regulator ima tri podesiva parametra: pojačanje Kp, integralnu vremensku konstantu Ti i diferencijalnu konstantu Td. Prisustvo proporcionalnog, integralnog i diferencijalnog dejstva u ovom regulatoru omogućava dobijanje dobrih performansi sistema kao što su: stabilnost, brzina

 

reagovanja i tačnost rada. Sa aspekta stabilnosti potrebno je još napomenuti da je od velikog uticaja i upravljački signal kojim se pobuđuje izlazni drajver. Što se toga tiče učestanost pobudnog signala treba da bude bar 10 puta veća od najbrže promene u sustemu koja može da se desi. Ovo je značajno pri regulaciji  brzine obrtaja DC motora ili nekog drugog procesa gde su vremenske i mehaničke konstante male.

 

 

3  Senzori u industriji 3.1 Razvoj senzora  

Za razvoj senzora presudni su sledeći faktori:  Naučna otkrića. Otkriće

pojava kao što su:

 termoelektrični efekat (Thomas Johann Seebeck , 1821.)  Michael Faraday, Far aday, 1831.)  zakon elektromagnetne indukcije ( Michael  piezorezisti vnost ( Lord  Lord Kelvin, 1856.)   piezorezistivnost  

 

 

 

 Jacques and Pierre Pi erre Curie, 1880.)  piezoelektrični efekat ef ekat ( Jacques  fotoakustični efekat ( Alexander  Al exander Graham Bell, 1880.)  fotoelektrični efekat ( Albert  Albe rt Einstein, 1905.)  …  

 

 

Tehnološki razvoj

sa poluprovodničkom tehnologijom dimenzije senzora su postale manje, osetlјivost veća, pojava integrisanih senzora. MEMS tehnologija

•

Potrebe tržišta



 

Kao primarni zahtevi tržišta mogu se izdvojiti ekonomski, regulatorni i jedinstveni zahtevi vlada različitih država.



 

Postoji čvrsta povezanost između pomenutih faktora. Naučna otrića podstiču ubrzani tehnološki razvoj, koji opet podstiče nova naučna otrića. Slično važi i za potrebe tržišta. Široko  polјe primene p rimene senzora podstiče konstantan razvoj i usavršavanje senzora. Karakteristik Karakteristikee senzor senzoraa konstantno se unapređuju, osetlјivost senzora postaje veća, dimenzije manje, selektivnost bolјa, a cene niže. Predlažu se novi i unapređuju postojeći merni koncepti .

 

 

3.1.1  Internet of Things Internet stvari (eng. Internet of Things - IoT) predstavlja mrežu fizičkih objekata, uređaja, vozila, zgrada i drugih objekata povezanih primenom savremenih elektronskih kola, softvera, senzora i mrežnog povezivanja, što omogućava pomenutim objektima da prikuplјaju i razmenjuju podatake. Primer objekta IoT objekta: Pametna kuća (eng. Smart house) .

IOT je trenutno veoma popularan koncept , ali još uvek dosta skup. Potrebno je mnoštvo senzora: senzori temperature, pokreta, osvetljenja, senzori slike (kamere) …

3.2 Osnovni pojmovi senzora  

U stručnoj literaturi za jedan isti uređaj mogu se naći različiti nazivi kao što su: senzor, senzorski sistem, pretvarač (davač), merni pretvarač, konvertor, transmiter . Ovi pojmovi ipak imaju nešto različito značenje.

 

Senzor (eng. sensor) je uređaj koji pretvara fizičku veličinu od interesa (merena veličina) u električni signal, odnosno pretvara bilo koji oblik energije u električnu energiju .Kao takav, senzor predstavlјa jedan deo veze između fizičkog sveta i električnih uređaja. Drugi deo ove veze predstavlјaju aktuatori (eng. actuators), koji pretvaraju električni signal u fizičku pojavu. Pretvarač (eng. transducer) predstavlja uređaj koji pretvara jednu vrstu energije u drugu (generalno bilo koji oblik energije u neki drugi oblik energije). Senzori i aaktuatori ktuatori spadaju u  pretvarače.

Primer: mikrofon i zvučnik

Senzori ne funkcionišu samostalno, već su uvek deo većeg sistema (senzorskog sistema) koji se može sastojati od više senzora, kondicionera signala, mikroprocesora, memorijskih uređaja i aktuatora . Senzori se često nazivaju i primarnim elementima, jer se prilikom merenja veličine kojom je potrebno upravlјati nalaze na prvom mestu unutar merno-upravlјačkog lanca.

 

U sistemima automatskog upravlјanja pod terminom merni pretvarač najčešće se  podrazumeva uređaj uređ aj koji se sastoji od: se nzora koji daje odzi odzivv na merenu veli veličinu činu i   pretvarača ili senzora  transmitera (prenosnika ili adaptera) koji taj odziv prevodi u standardni oblik  

 

signala pogodan za dalјu obradu. Standardni signal može biti na primer, naponski signal od 0-10 V, strujni od 4-20 mA ili  pneumatski od 20-100. Konvertori su uređaji koji vrše pretvaranje jednog standardnog oblika signala u drugi. Bitno je naglasiti da pomenuti termini (senzor, senzorski sistem, pretvarač (davač), merni  pretvarač, konvertor, transmit transmiter) er) nisu sinonimi, ali ponekad je opravdano za jedan isti uređaj koristiti više termina . Kao što je već rečeno: usled dejstva merene veličine senzor daje električni signal .Signal koji dolazi sa senzora često je potrebno obraditi odnosno pojačati, filtrirati, kompenzovati ofset i sl. Uređaji koji obavlјaju pomenute operacije nad signalom koji dolazi sa senzora jednim imenom se nazivaju kondicioneri signala. Podela senzora može se izvršiti na osnovu više kriterijuma. Prema složenosti senzori mogu biti: 

 

Direktni  (prosti) senzori su takvi da imaju fizički efekat koji neposredno

(direktno) pretvaraju spoljašnju pobudu u električnu energiju ili modifikuju električni signal.  Kompleksni  (složeni) imaju niz pretvarača koji ssee završava senzorom direktnog tipa. Prema tipu izlaznog signala senzore delimo na:  

 

 

 

analogne (struja, napon) digitalne (paralelni, serijski interfejs)

Prema načinu merenja senzore delimo na:  

 

 

kontaktni  beskontaktni

Prema odabranoj referenci senzore delimo na:  

 

 

apsolutne   relativne  Primer: merenje pritiska, apsolutno u odnosu na pritisak savršenog vakuum ili

relativno u odnosu na atmosferski pritisak

 

 

3.3

 

Savremeni senzorski sistem

 

SENZOR - usled dejstva merene veličine senzor daje električni signal KONDICIONER - signal sa senzora potrebno je obraditi (pojačati, filtrirati, kompenzovati ofset i sl).  A/D KONVERTOR – konverzija analognog u digitalni signal. Tako dobijeni digitalni signal  

 

 

može se obrađivati na mikrokontroleru, prikazivati na displeju ili koristiti za dalјe upravlјanje nekim procesom.

Deo savremenog senzorskog sistema može biti: jedan ili više senzora, A/D i D/A konvertori, mikrokontroleri, moduli za interfejs sa korisnikom, moduli za kompenzaciju (npr. temperature), temperatu re), itd

Prilikom primene senzora potrebno je poznavati njegove tehničke karakteristike,

odnosno kakav je odziv senzora na merenu veličinu u različitim radnim uslovima. S druge strane, prilikom konstrukcije senzora , neophodno je obezbediti odgovarajuće tehničke karakteristike.

 

Informacije o merenoj veličini koje dolaze sa senzora moraju biti tačne, jer je jedino na osnovu takvih informacija moguće donositi odluke. Tehničke karakteristike senzora mogu se podeliti na: statičke i dinamičke  • •

Statička karakteristika senzora je odnos ulazne i izlazne veličine u stacionarnim uslovima, a meri se tako što se zada vrednost ulazne veličine, sačeka da se završe svi prelazni  procesi, i zatim zati m se izmeri vred vrednost nost izlazne veli veličine. čine.

Parametri statičke karakteristike su: • • • • • • • • • • • •

Prenosna karakteristika Osetljivost Ulazni opseg Izlazni opseg Tačnost Ponovljivost  Nelinearnost Mrtva zona Saturacija Histerezis Ofset Stabilnost

Prenosna karakteristika (eng. Transfer Function) predstavlja funkcionalnu zavisnost

između ulazne fizičke veličine i izlaznog električnog signala senzora u idealnom slučaju (bez  poremećajaa i pri savršenoj izradi) . Prenosna karakterist  poremećaj karakteristika ika senzora može se opisati različiti različitim m funkcijama:  

o

o  o  o  o 

Linearna:  y=bx+a y=ae , bx  Eksponencijalna: +c, Logaritamska:  y=bln(x)+a, Stepena:  y=bx a +c, Ili neka složena funkcija

o 

Takođe odziv  senzora može zavisiti od više fizičkih veličina i u tom slučaju prenosna karakteristika je znatno složenija. Ukoliko je prenosna funkcija linearna  tada je jednostavno odrediti inverznu funkciju. Osetlјivost (eng. Sensitivity ) se definiše kao promena (priraštaj) izlazne veličine za datu

 promenu (priraštaj) ulazne veliči veličine. ne. Ako odziv senzora zavisi od više promenlјi promenlјivih, vih, tada se koristi parcijalni izvod. Ukoliko senzor ima linearnu  prenosnu karakteristiku, osetlјivost je konstanta i poželјno je da bude što veća.

 

Ulazni opseg (eng. Span, Full-Scale Input ) je dinamički opseg ulazne veličine koji se

može konvertovati senzorom. Ulazni opseg predstavlјa najveću moguću vrednost ulazne veličine koja se može javiti na ulazu senzora a da odziv senzora ne pokazuje neprihvatlјivu grešku. O utput ) predstavlјa algebarsku razliku između Izlazni opseg pune skale (eng.  Full-Scale Output 

vrednosti izlazne veličine pri maksimalnoj i minimalnoj vrednosti ulazne merene veličine.  A ccuracy) je jedan od najvažnijih parametara senzora i zapravo znači Tačnost  (eng.  Accuracy

netačnost, odnosno predstavlјa maksimalno odstupanje između tačne vrednosti netačnost, vrednosti merene veličine i rezultata merenja dobijenog senzorom. Na tačnost utiče kombinacija više faktora (varijacije od  primerka do primerka, pri merka, hister histerezis, ezis, mrtva zona, kalibracija, po ponovlјivost). novlјivost). Tačnost se može izraziti na više načina: o  o  o 

direktno kao apsolutna vrednost ulazne veličine  procentualno  procentual no kao relativna vred vrednost nost ulazne veliči veličine ne i u odnosu na izlaznu veličinu.

Rezolucija ( eng.  Resolution) ution)  je  najmanja promena ulazne veličine koja se može uočiti eng.  Resol odnosno registrovati senzorom. Rezolucija je veća što je uočlјiva promena manja. Prilikom definisanja rezolucije senzora potrebno je dati i neke informacije o načinu merenja - rezolucija senzora usko je povezana sa propusnim opsegom.

Rezolucija analognih senzora je ograničena Gausovim šumom na izlaznom signalu i često se izražava u obliku signal/(kvadratni koren iz Hz). U tom slučaju, stvarna rezolucija merenja dobija se množenjem pomenutog oblika rezolucije kvadratnim korenom propusnog opsega. U slučaju senzora sa digitalnim izlazom, rezoluciju određuje broj bita A/D konvertora i što je veći broj bita veća je i rezolucija.  Repeatability ty ili  Reprod  R eproducibility ucibility) je mera reprodukcije odziva senzora Ponovlјivost (eng.  Repeatabili

 pod istim isti m uslovima merenja, oodnosno dnosno pr predstavlјa edstavlјa grešk greškuu merenja usled nemogućnosti senzora da daje iste rezultate u istim mernim uslovima. Uobičajeno se testira pri stabilnim uslovima sredine (pri konstantnoj temperaturi, vlažnosti itd.) . Ponovlјivost često predstavlјa značajniji  parametar od o d tačno tačnosti, sti, jer se senzorski nzorski sistemi mo mogu gu biti programirani da obezbeđuju želјeni iizlazni zlazni signal za datu vrednost merene veličine sve dok su informacije koje dolaze sa senzora ponovlјive u datim uslovima.  

 

 

Nelinearnost (eng. (Non)Linearity of transfer function) definiše se samo za senzore čija

se karakteristika može aproksimirati pravom. Predstavlјa maksimalno odstupanje realne karakteristike od linearne aproksimacije Aproksimacija prenosne karakteristike senzora linearnom funkcijom ( y=bx+a) najčešće

se izvodi na neki od sledećih načina : o  o  o 

Aproksimacija koja prolazi kroz nulu Aproksimacija metodom krajnjih tačaka Aproksimacija metodom najmanjih kvadrata

 

Mrtva zona (eng.  Backlash ili dead band ) je opseg promene ulazne veličine u kome ne

dolazi do promene izlazne veličine, odnosno neosetlјivost senzora u nekom opsegu promene merene veličine. Obično se nalazi oko nule.

 Hysteresis eresis) je pojava različite vrednosti na izlazu senzora za istu Histerezis (eng.  Hyst

vrednost ulazne veličine kada se datoj vrednosti ulazne veličine prilazi opadajući ili rastući.

Saturacija (eng. Saturation ) se definiše pri vrednosti merne veličine nakon koje više ne

dolazi do promene izlazne veličine. Ofset (eng. Offset ) je vrednost izlaznog signala senzora kada je ulazna veličina jednaka

nuli.

 

Stabilnost  (eng. Stability) se odnosi zapravo na nestabilnost odziva senzora, odnosno

 promene izlaznog signala senzora čak i kada nema promene ulazne veličine. Stabilno Stabilnost st se najčešće manifestuje promenom osetlјivosti i ofseta senzora tokom vremena. Nestabilnost  predstavlјa kompleksan k ompleksan probl problem em i najčešće jjee uzrokovana hemijskim i mehaničkim str strukturalnim ukturalnim  promenama u samom senzoru. Važno je poznavati sve opisane parametre.Realna  karakteristika retko se poklapa sa idealnom (varijacija od primerka do primerka, histerezis, mrtva zona, ponovlјivost).

Pored statičke karakteristike senzora veoma bitna je i dinamička karakteristika senzora, jer se senzori u mernim sistemima često upotreblјavaju za merenje veličina koje se menjaju u vremenu.Dinamička karakteristika opisuje ponašanje senzora od momenta kad se merena veličina promeni, pa do trenutka kada se ponovo uspostavi stacionarno stanje. U  parametre dinamičke karakteristi karakteristike ke senzora spadaju vreme startovanja (eng. Warm-up time) i  Response sponse time). vreme odziva senzora (eng. Re

 

 

3.4

 

Senzori za merenje pomeraja i položaja

Senzori za merenje pomeraja i položaja (linearnog ili ugaonog) danas nalaze široku

 primenu. Različite primene zahtevaju različite ra zličite kombinacij kombinacijee performa performansi nsi pretvarača kao što su tačnost, rezolucija, ponovlјivost, linearnost, osetlјivost na uticaje okoline itd. Senzori za merenje  položaja i pomeraja (ugaono (ugaonogg ili linearnog) su često deo većeg kompleksnog senzora ili sistema, gde jedan od pretvarača konvertuje određenu fizičku veličinu u položaj, a zatim se  položaj konvertuje konvert uje u električni si signal. gnal. 3.4.1  Potenciometarski senzori Potenciometri predstavlјaju kontaktne otporničke pretvarače Potenciometri se najčešće koriste za direktno merenje pomeraja. Takođe koriste se i za indirektno merenje drugih veličina na osnovu promene pomeraja. Prema vrsti pomeraja koji mere potenciometarski pretvarači mogu biti: •

translatorni (“šibe  (“ šiber” r” potenciome potenciometri) tri) •

rotacioni (jednoobrtni, višeobrtni).

 

  translatorni 

rotacioni

Otpornost potenciometra zavisi od položaja (linearnog ili ugaonog) klizećeg kontakta

na rezistivnom elementu. Osobine potenciometarskih senzora su: o  o  o 

slaba dinamičnost, mala rezolucija i osetljivost, osetljivost na vibracije i šumove.

Potenciometri su mehanički kontaktni uređaji i moraju biti zaštićeni od udara, vibracija i nečistoća. Takođe, podložni su uticaju  temperature i vlažnosti, kao i starenju i degradaciji tokom vremena. Pored svih ograničenja i mana, potenciometri nalaze široku primenu pre svega zbog jednostavnosti primene i niske cene. Potenciometrski senzori se najčešće koriste kao naponski razdelnik i spadaju u analogne senzore. Linearna zavisnost između položaja klizača i izlaznog napona (pod uslovom da se napon meri uređajem koji ima beskonačnu ulaznu otpornost) .

 P  V P   x   (1  x xR R )  P  xRP  V  xV

 

 

  Primeri primene poteciometarskih senzora:

Rezistivni paneli osetljivi na dodir (eng. touch screen)

 

 

3.4.2  INDUKTIVNI SENZORI Induktivni pretvarači se najčešće koriste za senzore blizine (eng. proximity) i pomeraja (eng. displacement), odnosno kada je potrebno utvrditi prisustvo ili odsustvo nekog objekta, odnosno pomeraj.Rad induktivnih senzora u osnovi se zasniva na Fradejevom zakonu elektromagnetne indukcije. Do promene induktivnosti kalema može doći usled promene: efektivne permeabilnosti sredine u i oko kalema o geometrije kalema (npr. promenom broja namotaja oko jezgra) o  promenom reluktanse  magnetske putanje ili promenom vazdušnog  procepa o  promenom međusobne induktivnosti (promenom rastojanja između dva jezgra sa istim ili suprotnim poljima). Promena nekog od pomenutih parametara može biti iskorišćena za izgradnju induktivnih senzora . o 

 

 

 

 

  LVDT - U balansiranom (nultom) položaju reluktansa magnetskog kola ista je kroz oba sekundarna namotaja. Sekundarni namotaji su vezani u kontrafazi i stoga, kada je jezgro u balansiranom (nultom) položaju amplituda izlaznog signala U  S   je jednaka nuli . Usled pomeranja feromagnetskog jezgra, magnetska reluktansa kroz jedan od sekundarnih namotaja

se smanjuje, a kroz drugi povećava, odnosno amplituda napona indukovanog u jednom namotaju se povećava, a u drugom smanjuje, pa se na izlaznim priklјučcima pojavlјuje napon U  S  različit  različit od nule. Ukoliko se želi postići detekcija smera kretanja jezgra  potrebno je koristiti fazno osetljive demodulatore (da li su ulazni i izlazni napon u fazi ili kontrafazi).

 

 

3.4.2.1  Primena induktivnih pretvarača o 

o  o  o  o  o 

merenje preciznih procepa između aparata za zavarivanje i radne  površine merenje debljine metalnih ploča tokom procesa proizvodnje detekcija neravnih površina napravljenih delova nakon obrade, merenje ugaone brzine obrtnih uređaja,  precizna detekcija dimenzija uzorka  primena za merenje mer enje nivoa ttečnosti ečnosti

3.4.2.2  Prednosti i mane Glavne prednosti induktivnih pretvarača su:

velika osetljivost o dobre mehaničke osobine (dug vek trajanja) o  beskontaktno merenje mer enje Takođe prilikom ulaska nemetalnog objekta u zaštićenu zonu, induktivni i magnetski senzori ne reaguju. Tako na primer, u korozivnoj sredini, objekat i senzor mogu biti presvučeni zaštitnim materijalom koji nema magnetska svojstva. o   

 

 

Mane induktivnih pretvarača su: •

•

reaguju samo na magnetne materijale složene tehnike kondicioniranja i merenja signala

 

3.4.3  Kapacit Kapacitivni ivni senzori Osnovni princip rada kapacitivnih senzora:

Tipovi kapacitivnih senzora:

3.4.3.1  Kapacitivni senzori kondenzatora

na

bazi

promene

efektivne

površine

elektroda

 

  3.4.3.2  Interdigitalni kondenzator – planarni pločasti kondenzator.

Usled promene permitivnosti sredine u kojoj se nalazi senzor dolazi do promene kapacitivnosti . Jednostavna konstrukcija i izrada (može i u integrisanoj tehnologiji)

3.4.3.3   Senzori na bazi promene dielektrične permitivnosti

 

3.4.3.4   Senzori na bazi promene rastoja rastojanja nja između elektroda kondenzatora. kondenzatora .

Merenje pomeraja primeno  primenom m diferencijalnog promenljivog kondenzatora.

 A

A

C1   d  x  C 2    d  x Iz formule se može videti da se kapacitivnost C1 smanjuje pri pomeranju elektrode ulevo, dok se kapacitivnost C2 povećava. Ako se na kondenzator dovede napon, diferencijalni izlazni napon ΔV je linarno li narno zavista zavistann od pomeraja x.

Kondenzatorski mikrofon je jos jedan primer ovog tipa senzora, ako se mikrofon posmatra kao senzor zvuka. Pokretna membrana  i nepokretna elektroda čine pločasti kondenzator. Zvučni talasi koji udaraju u mikrofon dovode do vibracije membrane, odnosno promene kapacitivnosti, što dalje preko otpornika dovodi do promene napona proporcionalne jačini zvučnog signala.

 

3.4.3.5  Kapacitivni senzori osetljivi na dodir

Kada se bilo koji objekat sa kapacitivnim karakteristikama (kao što je prst) približi kapacitivnom dodira, delujeploča kao (elektroda) još jedan kondenzator zbog dielektrične prirode. Prst deluje kaosenzoru jedna od paralelnih kondenzatora, doksvoje je druga ploča povezana na ulaz elektronskog kola za merenje kapacitivnosti. Kada se prst nađe u neposrednoj blizini elektrode dolazi do porasta merene kapacitivnosti .

Kapacitivni paneli osetljivi na dodir (eng. touch screen) poseduju dva nivoa elektroda organizovanih u kolone i redove. Kada prst dotakne ploču, menja se međusobna kapacitivnost između redova i kolona (smanjuje se). Moguća je detekcija više pritisnutih mesta istovremeno  .

3.4.3.6  Prednosti i mane kapacitivnih senzora

Glavne prednosti kapacitivnih senzora su: o  o 

mala potrošnja (reda mikroampera), neosetlјivost na promenu temperature u širokom opsegu, otpornost na  prašinu,

 

 jednostavna konstrukcija konstr ukcija i niska cena o dug radni vek. Sa druge strane, ova vrsta mernih pretvarača podložna je uticaju elektromagnetnog zračenja i vlage. Problemi usled pomenutih uticaja uspešno se otklanjaju oklapanjem i o 

 

korišćenjem posebnih kućišta predviđenih za tu svrhu . 3.4.4  Piezoelektrični senzori Piezoelektrični pretvarači koriste osobinu određenih materijala (npr. kvarc) da stvaraju električni napon pri mehaničkim deformacijama. Kada su izloženi delovanju mehaničke sile ili  pritiska duž određenih ravni, piezoelektrični materijali stvaraju naelektrisanj naelektrisanje. e. Intenzitet i  polaritet stvorenog površinskog naelektrisanja proporcionalni su amplitudi i smeru primenjene sile. Osobina stvaranja naelektrisanja pri deformaciji čini piezoelektnčne materijale primenjivim za senzore u instrumentaciji. Piezoelektrični efekat je reverzibilan.

Piezoelektrični materijal se ponaša kao kondenzator, pri čemu se sam kristal ponaša kao dielektrični medijum. Usled delovanja sile generisana količina naelektrisanja je:

Q  d  F  Gde je d osetljivost punjenja i predstavlja konstantu za dati piezoelektrični materijal, a F sila koja deluje na materijal.

 

 

 

  3.4.4.1  Ultrazvučni pretvarači na bazi piezoelektričnog efekta

 

  3.4.5  Senzori na bazi Holovog efekta Senzori magnetnog polja: magnetootpornici, magnetootranzistori (npr.  MAGFET   –  Magnetic  Field Effect Transistor ), ), senzori na bazi Holovog efekta . Kompatibilni su sa integrisanom

tehnologijom i koriste se za realizaciju minijaturnih beskontaktnih senzora. Glavne prednosti ovih pretvarača su: o  o  o 

otpornost na vibracije i nečistoće male dimenzije i niska cena zahvalјujući integrisanoj tehnologiji.

o 

Među pomenutim magnetnim senzorima ugaonog položaja izdvajaju se senzori na bazi Holovog efekta i njima se posvećuje najviše pažnje u naučnim radovima i praktičnim  primenama.

 

 

 

  Prednosti i mane: Za realizaciju senzora sa Holovim elementom može se koristiti silicijum i upravo zahvalјujući tome i integrisanoj tehnologiji danas na tržištu postoje integrisana kola koja pored senzora na  bazi Hol Holovog ovog efekta sadrže i kola za kondicionira kondicioniranje nje signala (pojačavače, filtre, kola za kompenzaciju ofseta) kao i mikroprocesor za obradu signala. Rezolucija merenja ovakvom vrstom senzora može biti izuzetno visoka. Glavni nedostaci senzora na bazi Holovog efekta: o  o  o 

osetljivost na spoljašnja elektromagnetna polja osetljivost na promene temperature. u cilju postizanja što veće tačnosti merenja, stalni magnet mora biti savršene izrade i idealno postavljen u odnosu na integrisano kolo sa magnetnim senzorima. Jači magneti obezbeđuju bolje performanse, ali su ujedno i skuplji.

 

 

3.5 Merenja sile, pritiska i naprezanja  

Merenja sile, pritiska i naprezanja  predsta  predstavljaju vljaju merenja od velikog znača značajj u mnogim gr granama anama

industrije i naučnim disciplinama (medicina, robotika, građevinarstvo, automobilska i  petrohemijska industrija, i ndustrija, it itd.) d.)  Neki od senzora sila već su obrađeni: direktno merenje sile primenom piezelektričnih  pretvarača ili indirektno  (direktnim merenjem pomeraja) primenom rezistivnih, kapacitivnih, induktivnih ili senzora na bazi Holovog efekta. Opisani su otpornički (rezistivni) senzori za merenje sile, pritiska i naprezanja. Piezorezitivni efekat igra značajnu ulogu kod ove vrste pretvarača. U provodnim i poluprovodničkim materijalima promene međuatomskih rastojanja, uzrokovane deformacijom materijala, dovode do promene energetskog procepa, što olakšava ili otežava (zavisi od materijala i deformacije) elektronima da pređu u provodnu zonu. Usled opisane pojave dolazi do promene specifične otpornosti materijala. 3.5.1  Piezorezitivni efekat

U provodnim i poluprovodničkim materijalima promene međuatomskih rastojanja, uzrokovane deformacijom materijala, dovode do promene energetskog procepa, što olakšava ili otežava (zavisi od materijala i deformacije) elektronima da pređu u provodnu zonu. Usled opisane pojave dolazi do promene specifične otpornosti materijala.

 

3.5.2  Merna trake Merna traka (eng.  strain gauge) predstavalja otpornički senzor koji se koristi za merenje deformacija. Pričvršćuje za površinu mernogdeformaciju objekta, a svaka mernog objekta usled njegovog opterećenja se izaziva odgovarajuću mernedeformacija trake što sve zajedno omogućuje merenje  promene otpornosti merne trak trake.Merne e.Merne trak trakee predstavljaj predstavljajuu jedne od najznačajnijih senzora za merenje deformacija (naročito u građevinarstu i mašinstvu). Jednostavno se proizvode i  primenjuju. U kombinaciji sa Vitstonovim mostom i instrumentacionim pojačavačem   pružaju izuzetno visoku viso ku rezolucij rezolucijuu i tačnost merenja deformaci deformacija ja (naprezanja).

 

 

 

  Zahtevi koje merne trake treba da ispune su:

velika specifična otpornost radi smanjenja uticaja priključnih otpornosti o mali temperaturni koeficijent o odsustvo efekta histerezisa o  približno isti temperatur temperaturni ni koeficij koeficijent ent širenja kao materij materijal al na koji se  postavlja. Promena temperature dovodi do promene otpornosti merne trake usled: o   

 

 

o  o 

 promene specifične specifič ne otpornosti i usled različitih temperaturnih koeficijenata širenja dolazi do deformacije merne trake koja nije povezana sa samom deformacijom koja se meri

Primena mernih traka -mašina mernekaotrake koriste se senzora za statička i dinamička merenja na konstrukcijama i delovima i za konstrukciju za merenje:  dilatacija i naprezanja  sile i mase  obrtnog momenta   pritiska   pomeranja  vibracija Primeri: merne trake se koriste prilikom testiranja opterećeanja mostova, a u cilju otkrivanja  potencijalnih strukturalnih pro problema. blema. Takođe, u avio-industriji korist koristee se za prać praćenje enje deformac deformacija ija kao što su zakretanje krila, vibracije popelera ili praćenje stanja celokupnog trupa aviona  

 

 

 

 

 

 

3.5.3  Vinstonov most Vitstonov most (eng. Wheatstone bridge) predstavlja atraktivan način za tačno merenje malih  promena impedanse, najčešće otporno otpornosti. sti. Koristi se za veliki broj primena, te jjee ovde detaljnij detaljnijee opisan. Postoje dva osnovna načina za rad sa Vitstonovim mostom: o 

poređenjem m sa drugim standardni standardnim m (poznatim) detektor nule  – merenje otpornosti poređenje otporom

o 

merenj em razdešenosti mo mosta sta merenje napona na mostu – merenjem

Prilikom dizajna mernog sistema sa Vitstonovim mostom postoji nekoliko stvari o kojima treba voditi računa kao što su: o  o  o  o  o  o

 

izbor konfiguracije (1, 2 ili 4 promenljiva elementa) izbor pobude (strujna ili naponska) stabilnost pobude opseg izlaznog signal (pojačanje niskošumnim preciznim pojačavačima) linearnost da li se merni elementi nalaze na udaljenom mernom mestu itd.

 

 

3.5.4  Merne ćelije Merne ćelije predstavljaju pretvarače sile koji se zasnivaju na primeni mernih traka (“pametan” raspored više mernih traka) i nnjihovog jihovog povezivanja u okviru Vitstonovog mosta. Koriste se kao  pretvarači mase (vage), (va ge), sile i mo momenta. menta. Merne ćelije sastoje se od mernih traka (1 - četvrtina mosta, 2 – polumost i 4 – potpuni most) i elementa na kom su montirane merne trake, a koji se deformiše usled delovanja sile. Osnovna ideja prilikom konstrukcije merne ćelije:   postaviti merne trake (npr. 4) na element koji je

izložen delovanju sile na takav način da merne trake trpe različite deformacije (npr. dve merne trake se istežu – porast otpornosti, a dve su izložene sabijanju- smanjenje otpornosti). Pravilnim rasporedom takotačnost postavljenih mernihnego trakau slučaju u okvirukada Vitstonovog može se postići značajno veća osetljivost, i linearnost se koristi mosta jedna merna traka. Primer: platformske merne ćelije  – koriste se za k konstrukciju onstrukciju visoko preciznih laboratorijskih

vaga, trgovačkih vaga i vaga za merenje telesne mase, poštanskih i medicinskih vaga.

 

 

Primer: platformske merne ćelije  – usled deformacije ćelije dve merne trake beleže porast otpornosti, a dve smanjenje. Ako su trake pravilno postavljene promena otpornosti usled deformacije ćelije ista je za sve merne trake samo suprotnog znaka (raste ili opada za istu vrednost) . U ovim senzorima se koristi Vinstonov most sa 4 promenjiva otpornika.

 

  Osnovni oblici mernih ćelija su prikazani na sledećoj slici:

INTEGRISANI SENZORI PRITISKA 

Koncept izgradnje integrisanih senzora pritiska sličan je konceptu mernih  ćelija, samo se radi o mikroskopskom nivou, odnosno integrisanoj tehnologiji.

 

Integrisani senzori pritiska poseduju tanku silikonsku membranu na kojoj su izrađena četiri piezootpornika (merne trake). Membrana razdvaja sredine sa referentnim pritiskom i pritiskom koji je potrebno meriti. Usle promene merenog pritiska u odnosu na referentni, membrana se deformiše dovodeći do promene otpornosti piezootpornoka. Piezootpornici su organizovani tako da sa sa promenom pritiska otpornost kod dva pi piezootpornika ezootpornika raste, a kod druga dva opada. Piezootpornici su povezani u Vitstonov most.

 

  Podela integrisanih senzora prema pritisku koji se meri

 

 

3.6 Senzori za merenje temperature  

Merenje temperature predstavlja jedno od merenja koje se najčeše izvodi. Mogu se izdvojiti dve vrste merenja temperature: •

•

Merenja gde je podatak o temperaturi od primarnog  značaja (npr. zbog upravljanja određenim procesom) Merenja gde se podatak o temperaturi koristi za kompenzaciju  odziva nekog drugog senzora gde promena temperature utiče na odziv senzora koji se koristi za merenje posmatrane fizičke veličine.

Danas se na tržištu mogu naći različiti tipovi senzora temperature: otpornički temperaturni detektori, termistori, termoparovi, integrisani senzori temperature, infracrveni termometri, itd. Svaki od navedenih poseduje specifične karakteristike (linearnost, opseg promene temperature  – radni opseg, osetlji osetljivosti vosti na promenu temperat temperature, ure, itd) koje je potrebno poznavati prilikom izbora senzora za određenu primenu.  

3.6.1  OTPORNIČKI TEMPERATURNI DETEKTOR (eng. Resistive temperature detector - RTD ) RTD senzori spadaju u otporničke senzore i zasnivaju se na promeni električne otpornosti većine metala/provodnika sa promenom temperature (povećava se porastom temperature). Zahvaljujići visokoj tačnosti i stabilnosti na širokom temperaturnom opsegu, RTD otpornici koriste se dugi niz godina za merenje temperature u laboratorijskim merenjima i industrijskim  procesima RTD otpornici izrađuju se od  platine (najčešće), (naj češće), bakra, nikla (za manje temper temperature), ature), niklgvožđa, volframa (ređe, npr. volfram je krt i nezgodan za obradu) Platina je najpopularniji element za realizaciju RTD senzora. Platinski RTD poseduju odličnu stabilnost (otporni na koroziju) i dobru linearnost na širokom temperaturnom opsegu ( Pt100, Pt1000).

Postoje dva načina konstrukcije RTD senzora: 

 

namotane  (-200 do 850°C) na jezgro od visokotemperaturnog stakla ili keramike. Temperaturni koeficijent širenja jezgra i žice moraju biti usklađeni da ne bi došlo do naprezanja žice (merna traka). Ovakom RTD senzori u obliku žice

konfiguracijom smanjuju se dimenzije senzora i povećava toplotna provodnost.

 



 

RTD senzori u obliku tankog metalnog filma (-50 to 500°C) nanetog na površinu

keramičkog supstrata. Primenom lasera, podešava (trimuje) se željena otpornost. U odnosu na žičane za RTD senzore u obliku filma potrebno je manje metala za istu otpornost (zahvaljujući tankom sloju), pa je samim tim i njihova cena manja.

 

 

 

 

3.6.2  Termistori Kao i RTD i termistor predstavlja temperaturno osetljivi otpornik U odnosu na RTD imaju značajno veću osetljivost, ali i tipično izrazito nelinearnu karakteristiku. U zavisnosti od materijala koji se koristi za realizaciju termistora razlikuju se: (eng. negative temperature coefficient ) - negativni temperaturni koeficijent - otpornost opada sa porastom temperature

•

 NTC  termistori   termistori

•

 PTC   termistori

(eng.  positive tempe temperature rature coefficient ) – pozitivni temperaturni koeficijent - otpornost raste sa porastom temperature

Termistori se izrađuju od poluprovodnika i oksida metala. Silicijum se ponaša kao NTC (usled termičke ekscitacije nosilaca raste provodnost – opada otpornost), međutim, dopiranjem se može  postići da se u određenom određ enom temperat temperaturnom urnom opsegu pona ponaša ša kao PTC.

 

 

 

3.6.3  Termoparovi

 

 

 

3.6.4  RTD vs TERMOPAR vs TERMISTOR

3.6.5  Integrisani Integrisani se senzori nzori temperature  od Integrisani poluprovodnički senzori zasnivaju se na zavisnosti napona baza-emiter V  BE  od struje kolektora I CC   kod bipolarnog tranzistora: V  BE  

  I C     ln   q  I S  

kT 

Ako se realizuje kolo tranzistora sa konstantnom stujom Ic, njegov napon baza emitor  postaje srazmeranj srazmer anj temperaturi T.

 

 

3.7 SENZORI ZA MERENJE PROTOKA  

Senzori za merenje protoka zauzimaju izuzetno važno mesto naročito u primenama gde se cena gasova i tečnosti određuje na osnovu protoka. Ovi senzori koriste se u mnogobrojnim primenama za merenje protoka vode, nafte, benzina, raznih rastvora, vazduha, ugljenmonoksida, itd. Protok fluida, uopšteno može m ože biti:  •

Laminaran - pojedine čestice fluida teže kretanju u ravnim linijama paralelno sa

tokom, uz nepromenjenu brzinu (u cilindričnoj cevi brzina je maksimalna u sredini cevi, a minimalna pri zidovima cev) •

•

Turbulentan - karakteristično vrtložno strujanje čestica fluida unutar toka Prelazni – mešavina turbulentnog i laminarnog toka (turbulentan u sredini cevi, a

laminaran bliže zidovima cevi)

Sa porastom brzine fluida laminaran tok može preći u turbulentan.

 

  3.7.1  SENZORI PROTOKA NA BAZI RAZLIKE PRITISAKA

Senzori protoka na bazi razlike pritisak veoma su popularni u industrijskim primenama (40% industrijskih protokomera zasniva se na ovom principu) pre svega zbog jednostavne konstrukcije i niske cene. Glavne prednosti pretvrača na bazi razlike pritisaka:  Jednostavna fabrikacija (nema pokretnih elemenata)   Niska cena u poređenju sa drugim protokometri protokometrima ma nar naročito očito ka kada da su u pitanju  

 

cevi velikog prečnika  



Mogu se koristiti za većinu gasova i tečnosti

 

 

Glavne mane pretvrača na bazi razlike pritisaka:     

 

 

 

 

 

Mali opseg merenja (manji od ostalih tipova protokomera) Mogu se javiti značajni gubici pritiska Zavisnost protoka od diferencijalnog pritiska nije linearna Odziv zavisi od prirode-režima toka fluida Degradacija karakateristika usled starenja, skupljanja naslaga i erozije zidova cevi

3.7.2   ANEMOMET  ANEMOMETRI RI SA ZAGREJANOM ŽICOM

 

 

 

3.7.3  ULTRAZVUČNI SENZORI PROTOKA Ultrazvučni protokometri mere brzinu fluida propuštajući ultrazučne talase kroz fluid. Postoje dva tipa ultrazučnih protokomera: •

•

Ultrazvučni protokometri na bazi vremena preleta - merenja vremenske razlike od predaje do prijema ultrazvučnog signala Ultrazvučni protokometri na bazi Doplerovog efekta  – merenje merenj e promene frekvencije ultrazvučnog talasa usled Doplerovog pomaka

Predstavljaju neinvazivnu metodu merenja protoka (ne ometaju protok). Najčesće se postavljaju na spoljašnji zid cevi i mogu se lako skinuti i primeniti na drugom mestu. Spoljašnja instalacija sprečava gubitke pritiska u cevi i moguće curenje fluida (problem kod invazivnih  protokometara).. Takođe, ne  protokometara) nema ma pokr pokretnih etnih delova i nije potreba potrebann direktan kontakt sa fluidom (ni (nije je  potrebno zaustaviti zausta viti protok zbog iinstalacije nstalacije senzora). S druge strane, cena ove vrste senzora je izuzetno visoka i potrebno je da zidovi cevi na koju se montiraju budu čisti (bez korozije i drugih nesavršenosti) Kod ultrazvučnih protokomera na bazi vremena preleta, predajnik emituje ultrazučni talas, a vreme koje potrebno da taj talas stigne do prijemnika zavisi od brzine fluida. Najčešće se koriste dva para ultrzvučnih prijemika i predajnika (jedan par emituje utlrazvuk u pravcu toka fluida, drugi u suprotnom pravcu), čime se postiže diferencijalno merenje i veća osetljivost  pretvarača. Takođe, na ovaj način smanjuje se greška merenja usled pro promene mene brzine ultraz ultrazvuka vuka sa pritiskom i temperaturom.

 

  Zavisno od prečnika cevi koriste se različiti načini postavljanja ultrazučnih predajnika i

 prijemnika u slučaju sl učaju metode bazira bazirane ne na vremenu pre preleta: leta: •

“Z” metoda  – ultrazučne sonde su montirane na različitim strana. Ultrazvučni

talas prolazi samo jednom kroz fluid. Ovako postavljanje koristi se za cevi većeg  prečnika •

“V” metoda  – ultrazvučni talas prolazi dva puta kroz fluid odbijajući se od zida

cevi. Ovako postavljanje koristi se za cevi manjeg prečnika (najčešće se sreće u  praksi) •

“W” metoda  – ultrazvučni talas odbija se dva puta od zida cevi (duplo veće rastojanje između sondi nego u “V” metodi). Ovako postavljanje koristi se za cevi

najmanjeg prečnika

 

  Doplerov efekt vs vreme preleta  Sitne čestice, mehurići vazduha i gas negativno utiču na odziv senzora na bazi vremena preleta - slabe ultrazvučni signal koji putuje kroz ceo poprečni presek cevi (bar jednom).

S druge strane, senzori na bazi Doplerovog efekta upravo se oslanjaju na postojanje sitih čestica i mehurića unutar fluida . Za pouzdana merenja, protok mora biti dovoljno brz da bi održao čestice i mehuriće suspendovane u fluidu. Za tačna merenja, za obe vrste senzora zahteva se da cev u kojoj se ispituje protok bude puna. Međutim, senzori na bazi Dopplerovog effekta pružaće tačne rezultate i ako cev nije puna,  pod uslovom da su senzori se nzori montirani ispod i spod nivoa tečnosti.

Ukoliko materijal od kog je izrađena cev ne provodi ultrazvučni talas (apsorbuje ili reflektuje), tada se u slučaju oba senzora, sami senzori moraju postaviti direktno unutar cevi.

 

 

3.8

 

Optičke senzori

 

3.8.1 FOTOOTPORNIK

3.8.2  FOTODIODA Prilikom apsorpcije fotona u p-n spoju generiše se par elektron-šuplјina, pri tom upadno zračenje odnosno foton može biti apsorbovan bilo gde u uređaju. Međutim samo tamo gde postoji električno polјe (osiromašena oblast) može doći do transporta nosilaca naelektrisanja u određenom smeru. Elektroni i šuplјine generisani u osiromašenoj oblasti brzo driftuju u suprotnim smerovima pod uticajem jakog električnog polјa u ovoj oblasti.

 

  Tipovi fotodioda: +

+

PIN fotodioda - sastoji se od p   i n   oblasti koje su odvojene vrlo nisko n dopiranom

unutrašnjom i-oblašću (intrinsic). Debljina i-oblasti je višestruko veća od debljine p i n oblasti. Ovim se postiže da se apsorpcija optičkog zračenja vrši uglavnom u i-oblasti Lavinska fotodioda (eng.  Aval  Avalanche anche Photodide -  APD) - značajnim povećanjem inverznog

napona na p-n spoju, jačina polja može postati toliko velika da fotonosioci imaju dovoljnu kinetičku energiju da kreiraju nove parove elektron-šupljina. Originalni fotonosilac naelektrisanja se multiplicira, odnosno dolazi do lavinskog umnožavanja nosilaca naelektrisanja. Fototranzistor – optoelektronska komponenta koja funkcioniše kao bipolarni tranzistor, s tim da

se bazni kontakt najčešće izostavlja, a spoj baza-kolektor izložen je upadnom zračenju (fotogenerisana struja baze)

 

3.8.3  SENZORI SLIKE – KAMERE

3.8.4  Optokapleri

 

 

3.8.5  Optički senzori sa polar polarizatorom izatorom

 

 

3.8.6  Optički senzori za merenje rastojanja

3.8.7  Optički inkrementalni enkoderi

 

  3.8.8   Apsolutni optički o ptički enkoder

3.8.9  SENZ SENZOR OR B BOJE OJE

 

Spektroskopija  predstavlja merenje talasnih dužina apsorbovane i emitovane svetlosti u

različitim materijalima. Materijali apsorbuju i emituju svetlost na karakterističnim talasnim dužinama zavisno od unutrašnjih energetskih nivoa. Ova merenja mogu identifikovati materijal, odrediti boju i količinu materijala i pomažu u analizi njihovih osobina. Dve osnovne vrste spektroskopije: •

Apsorpciona spektroskopija zasniva na određivanju talasne dužine koja je odstranjena

ili oslabljena u svetlosti propuštenoj kroz neki materijal. •

 predstavlja vlja mer merenje enje ttalasne alasne duži dužine ne eemitovane mitovane svetlosti iizz Fluorescentna spektroskopija predsta materijala koji je osvetljen svetlošću manje talasne dužine. Obično se koriste snažni laserski izvori koji emituju svetlost u UV

3.8.10 INFRACRVENI TERMOMETRI

 

 

3.9 HEMIJSKI SENZORI  

transformiše miše hemijsku infor informaciju maciju (koncentraci (koncentraciju ju Hemijski senzor  predstavlja uređaj koji transfor određene komponetne u uzorku ili ukupnu analizu sastava uzorka) u električni signal. Hemijska informacija može poticati od hemijske reakcije ili od fizičke osobine sistema koji se ispituje. Tehnologija izgradnje hemijskih senzora znatno je složenija nego kod senzora fizičkih veličina i uključuje organske i neorganske materijale kao i kombinaciju hemijski, bioloških i fizičkih principa rada. U jednom uređaju može biti više senzora koji zajedno daju kompleksnu informaciju o sastavu analita (supstance čiji se hemijski sastojci identifikuju ili mere). Primenom organskih materijala u izradi ove vrste senzora dobija se posebna klasa – biohemijski senzori. Oblasti potput molekularne i bioelektronike, od velikog su značaja za izgradnju nove generacije hemijskih i  biohemijskih senzora. se nzora. 3.9.1  OPTIČKI HEMIJSKI SENZORI

 

 

3.9.2  ELEKTROHEMIJSKI SENZORI elektrohemijskoj oj reakciji analita sa ELEKTROHEMIJSKI SENZORI  – zasnivaju se na elektrohemijsk elektrodama (spontano ili stimulisano električnim putem) Postoje različite vrste elektrohemijskih senzora ali se najčešće zasnivaju na primeni: 

 

Senzorske  (hemijski aktivne) elektrode koja reaguje sa merenim

hemijskim parametrom kroz oksidacioni ili redukcioni mehanizam (mehanizam otpuštanja ili prihvatanja elektrona od strane atoma),  Elektrolita kao provodnika jona i  



 

Pomoćne  elektrode koja služi za zatvaranje električnog Izborom elektrode i elektrolita ostvaruje se selektivnost . Zavisno od togakola da li je izlazni senzora signal napon između elektroda ili struja u kolu, razlikuju se potenciometrijski, odnosno amperometrijski senzori

 Na sličnom princi principu pu zasniva se CHEMFET - hemijski sintetizovani tranzistor sa efektom polja, gde se interakcija između analita i aktivnog sloja na gejtu transformiše u struju drejna.

 

  3.9.3  ELEKTRIČNI HEMIJSKI SENZORI

 

 

3.10 MEMS SENZORI  

 Najznačajniji i najinteresa najinteresantniji ntniji elementi MEMS sistema su mikropretvarači  (mikrosenzori i mikroaktuatori) koji konvertuju energiju iz jednog oblika u drugi. Kod mikrosenzora , tipično, uređaj pretvara mereni mehanički signal (npr. pomeraj) u električni signal. Imajući u vidu da je merenje pomeraja (ugaonog ili linearnog) jedno od najznačajnijih merenja u oblasti senzora, jasno je primenom MEMS tehnologije, izranja nova klasa integrisanih senzora. MEMS senzori sadrže elektro-mehanički pretvarač i elektronska kola za obradu signala (kondicioner, A/D konvertor) unutar istog integrisanog kola MEMS senzori zasnivaju se na efektima koji su kompatibilni sa integrisanom tehnologijom (pre svega u smislu korišćenih materijala). Fundamentalni principi MEMS senzora zasnivaju se na efektima poput piezorezistivnog  i piezoelektričnog   efekta, ili promeni  kapacitivnosti  (npr.  promenom rastojanja rast ojanja između ele elektroda) ktroda)  Npr. integrisani senzori priti pritiska ska na bazi piezore piezorezistivnosti zistivnosti pre predstavljaju dstavljaju MEMS senzore Primer: Inercijalni senzori (akcelerometri zasnovani na kapacitivnom efektu)  

MEMS akcelerometri baziraju se u osnovi na diferencijalnom kondenzatoru. Srednja (pokretna) elektroda diferencijalnog kondenzatora smeštena je na inercijalnom elementu (masi) koji se  pomera usled delovanja inercij inercijalne alne sile (ubrzanja, F=ma). Pomeraj se detektuje promenom

 

kapacitivnosti, a primenom primenom diferencij diferencijalnog alnog kondenzator smanjuje se uticaj šuma. U okv okviru iru istog integrisanog kola nalaze se senzori koji mere ubrzanje duž sve tri prostorne dimenzije.

MEMS tehnologija naročito je interesantna za razvoj minijaturnih (bio)hemijskih senzora, gde se  postojeći koncepti izgr izgradnje adnje hemijskih senzora integrišu sa mikromehaničkim elementi elementima ma fabrikovanim u MEMS tehnologiji (mikrofluidika, mikrokonzole i sl.) Zahvaljujući razvijenim, izuzetno osetljivim, postupcima mehaničke konverzije bio(hemijskih) i fizičkih procesa u signale koji mogu da se zabeleže primenom mikrofabrikovanih senzora, danas  postoje MEMS senzori za detekcij detekcijuu gasova, u medicinsk medicinskim, im, biomedicinski biomedicinskim m i biohemijskim analizama. Ova vrsta senzora pruža jednu novu “dimenziju” konceptu internet stvari. Takođe, sada veći broj različitih senzora (bio)hemijskih i fizičkih veličina može biti integrisana na istom čipu.