Mechatronica/Robotica – Mechanical Systems

ELA – motoren, actuatoren, besturen

DC-motoren

Introductie

Relaistechniek

Halfgeleider techniek

Sessie 1: Introductie en relaitechniek

Auteurs: M.J. Vermaning

R.D.R Haas

S.R.Jewan

1

Inleiding

In dit practicum gaan we kennis maken met de DC-motor. U heeft van de docent al een stukje theorie vernomen over de werking van een DC-motor en met dat in ons achterhoofd gaan we een aantal experimenten uitvoeren waarmee we een aantal doelen proberen te bereiken:

1. Wat gebeurt er elektrotechnisch aan- en rond de motor en welke invloed moet ik uitoefenen om de motor op de juiste wijze te bedienen.

2. Welke mogelijkheden heb ik om een dergelijke motorbediening te realiseren 3. Hoe kan ik die motor in de toekomst inzetten voor aandrijf en

automatiseringsdoeleinden.

Opdracht 1.

2 3

1

4 FOTO 1 Gelijkspanningsvoeding 2*30V, 2*3A

Uitleg bedieningsorganen:

1. Power on/off

2. Instelling kortsluitstroom (lees: de maximale stroom die de voeding kan leveren) Bij

het practicum motoren/actuatoren kiezen we voor het maximum. LET OP: bij een

onbelaste voeding is de paneelmeter te gebruiken voor een instelwaarde, bij belaste

voeding wordt de werkelijk afgegeven stroom aangeduidt.

3. Spanningsinstelling, gebruik de paneelmeter als grove indicatie voor de te leveren

spanning.

2

4. Aansluitterminals. We gebruiken (net als bij een batterij of accu) de + en – polen en

zeker niet de aansluiting met het randaardesymbool!

Opdracht 1.

Stel de voeding (zie foto 1) in op 24V. Zet de kortsluitstroom van de voeding op

maximaal.

Sluit de motor aan op de voeding.

Merk op dat de motor heel spontaan direct begint te draaien, met een toerental dat

bij (exact) 24V, 3000 rpm bedraagt.

Leg (voorzichtig) uw vinger op de as en stel vast wat op dit moment de draairichting

van de as is.

Verwissel de aansluitingen van de voeding aan de motorzijde.

De motor draait (natuurlijk) weer op dezelfde snelheid als zojuist, MAAR nu in de

andere richting dan zojuist.

Conclusie: verandering van poolaansluiting veranderd de draairichting.

3

Opdracht 2.

In deze opdracht gaan we waarnemen wat er elektrisch gebeurt bij aan en uitzetten van de motor. Hiervoor gaan we een tweede meetinstrument inzetten, twee multimeters. Één multimeter is een handheld versie, de ander is een tafelmodel multimeter. (zie de foto’s 2,3 en 4)

Fig. 1

We beginnen met de handheld multimeter. Hiermee gaan we

de spanning over de motor meten. Voor het meten van

spanningen zetten we de multimeter parallel over de te

meten component (hier: de motor) Kijk ter verduidelijking

naar fig 1b. In principe (bekijk uw schakeling) meten we direct

de spanning die wordt aangeboden door de voeding.

FOTO 2 Handheld multimeter

Omdat we de voedingsspanning meten gaan we die als eerste goed instellen als

referentie.

Koppel de motor los, en breng de meter aan over de voeding. Stel deze (redelijk

nauwkeurig) in op 24V.

Sluit de motor aan en meet de spanning......

Naast de spanning is er een tweede gegeven dat voor het gebruik van de motor van groot

belang is, nl. de stroom. De stroom werd namelijk in de bepaling van de Lorentzkracht

genoemd (F=B*I*L).

4

In de permanent-magneet motor zoals wij in het practicum gebruiken is de stroom de enige

variabele in de formule voor de bepaling van de Lorentzkracht (B= de kracht van het

magneetveld en L, de lengte van de geleider in dat magneetveld).

Om de stroom te meten, kunnen we NIET zomaar de meter aansluiten. We gaan immers de

stroom die loopt dóór de motor meten. Daartoe moet de meter in serie met de motor

worden gezet, ofwel we moeten het motorcircuit onderbreken! In de onderbreking nemen

we dan vervolgens de meter op. Kijk ter verduidelijking naar fig 1a

FOTO 3

Uitleg bedieningsorganen:

1. Power on/of

2. Meetfunctie; welke grootheid gaan we meten. AC/DC natuurlijk in deze

practicumreeks op DC (direct current=gelijkstroom)

3. Meetbereik (aanduiding van de grootste waarde die op het display weergegeven kan

worden). Voor V werken we met 18V dus moet het bereik 200 worden gekozen. Bij het

werken met stroom kiezen we voor 2000mA (2A). De knop AUTO LIJKT interessant,

maar is dat niet!! Afblijven dus!

4. Aansluitterminal voor stromen van MAX 10A. Deze gebruiken wij niet omdat de

voeding max 1A kan leveren.

5. De common terminal; de aanduiding in het display wordt gegeven t.o.v. dit

aansluitpunt

6. De aansluiting die we in deze practicumreeks zullen gebruiken.

5

FOTO 4

Uitleg bedieningsorganen:

1. Power on/off

2. Meetfunctie; welke grootheid gaan we meten. AC/DC natuurlijk in deze

practicumreeks op DC (direct current=gelijkstroom)

3. Naast spanning en stroom keuze mogelijk voor weerstand

Bij dit meetinstrument verloopt de instelling van het meetbereik automatisch.... er is geen

aparte handeling nodig voor het instellen.

4. Aansluitterminal voor gebruik bij stroommetingen (DUS: LET OP, als u i.p.v.

spanningen, stromen gaat meten, dient u een andere aansluiting te kiezen)

5. De common terminal; de aanduiding in het display wordt gegeven t.o.v. dit

aansluitpunt

6. Aansluiting voor het meten van spanning en weerstand, zie opmerking onder 4.

De meter die we gaan gebruiken is nu de tafel-multimeter (foto 3 of 4, afhankelijk van de

opstelling waar u achter zit) Bestudeer aandachtig de meters!!! Merk op dat u nu wat

instellingen dient te verrichten. Allereerst kiezen we op de meter voor het stroombereik (bij

de meter van foto 4, GW, volstaat het indrukken van de =I knop, bij de andere meter

(Keithley, foto 3)kiezen we ook een bereik. Welk bereik kunnen we verwachten??? .......géén

idee!!! Wel weten we dat dit maximaal 1 Ampere zal zijn, omdat de voeding die wij

gebruiken niet meer kan leveren. Daarom kiezen we het bereik tot 2000mA (=2A). De

aansluitingen die we gaan gebruiken moeten ook met aandacht worden gekozen. Zie het

verschil tussen de GW en de Keithley meters.

6

Opdracht 3.

Zorg ervoor dat de meter goed ingesteld en aangesloten is (laat controleren door de docent).

Zet de voeding aan en laat de motor draaien.

Hoe groot is de stroom die de motor nu vraagt?

Rem door uw vinger op de askoppeling te leggen (vastpakken) de motor af. Pas op, door de

wrijving ontstaat warmte.

Wat meet u nu voor stroom (kleiner/groter dan hiervoor)

Probeer te verklaren wat er gebeurt en trek uw conclusie.

Omdat in de praktijk voedingen binnen machines voor meerdere toepassingen worden

gebruikt, is het geen optie om d.m.v. het in- en uitschakelen van de voeding de motor te

starten en te stoppen. Ook is het lostrekken van aansluitdraden over het algemeen géén

goed idee!

We moeten dus schakelaars gaan introduceren.

Een schakelaar zoals een “lichtknop” LIJKT een prima oplossing, maar blijkt in de praktijk

(automatisering) niet altijd een goed idee. Indien u n.l. bijvoorbeeld met één schakelaar een

draairichting heeft gekozen, en u gaat met een andere schakelaar de andere draairichting

kiezen, is het wel zaak dat eerst de eerste schakelaar wordt uitgezet!!! (denk maar eens aan

het omkeren van de draairichting zoals u dat daarnet heeft gedaan!!!)

In het practicum hebben we een bordje met een drietal “pushbuttons” (zie foto 5) Deze pushbuttons zullen we gaan gebruiken voor Stop (rode knop) en twee draairichtingen. Iedere knop heeft twee (2) functies, een “maak” en een “verbreek” contact. Let op het schemasymbool dat op het bordje ingefreesd is bij iedere pushbutton. (zie fig.1)

FIG 2 FOTO 5 Pushbutton bord

7

0V

+24V

M

START

3

4

1

Uitleg schemasymbolen:

1. Pushbutton knop; de stippellijn is de stijve verbinding tussen de twee

schakelelementen (maak en verbreek). Bij dit type schemasymbool geld: bediening

wordt voorgesteld door een beweging naar rechts. Dus: we drukken op de knop (1)

daarmee duwen we tegen de veerdruk in (2) en zal schakelcontact 3 (maak) op

hetzelfde moment gemaakt worden als schakelcontact 4 wordt verbroken

Opdracht 4.

Bouw een “schakeling” waarbij u middels een pushbutton de motor kunt aanzetten.

Bouw deze schakeling volgens het hieronderstaande schema.

Fig.3

Wat is de grote tekortkoming van deze

schakeling?

Inderdaad: de motor loopt uitsluitend indien u de pushbutton ingedrukt houd! Dat is slordig

want u bent als ingenieur toch wel een beetje te duur om ingehuurd te worden als

knoppendrukker!

We gaan dus op zoek naar andere mogelijkheden. Zonder direct af te glijden naar

uitgebreide elektronische oplossingen denken we eerst eens aan iets “eenvoudigers” als een

RELAIS of ook wel genoemd een magneetschakelaar.

Magneetschakelaars Het is ook mogelijk met behulp van een elektromagneet een stroomkring te openen of te sluiten. Hiermee kunnen we dan een elektrisch apparaat in- of uitschakelen. Dit noemt men een magneetschakelaar.

Start is een pushbutton-

maakcontact,

M is een DC-motor

8

Werking magneetschakelaar: Wanneer we de spoel in de magneetschakelaar bekrachtigen, dwz. we zetten er een spanning op, dan zal door de spoel een stroom gaan lopen. Deze stroom veroorzaakt een elektromagnetische krachtwerking binnen de spoel. Een ijzeren kern wordt hierdoor naar binnen getrokken. De bewegende delen van de magneet-contacten zijn met deze kern verbonden. De maakcontacten (no) worden gesloten en de verbreekcontacten (nc) worden geopend.

FIG 4

Uitleg werking relais. De spoel K1 (met aansluitingen a en b) functioneert bij bekrachtiging (we brengen een spanningsverschil aan tussen a en b, waardoor er een stroom gaat lopen van hoogste naar laagste potentiaal) als een magneet, waardoor een hefboom (anker) die door een bladveer van de magneet weg wordt geduwd, wordt aangetrokken. Door deze beweging wordt contact k1/1 verbroken en contact k1/2 gemaakt.

FIG 4

FIG 5

In fig 3 is het schemasymbool weergegeven dat hoort bij foto 6. Op het paneel van foto 6 zijn 2 relais aangebracht met ieder 4-omschakelcontacten. Een omschakel-contact heeft 1 moeder contact en twee slaaf contacten (1 maak en 1 verbreek)

FOTO 6 Relais bord

9

0V

+24V

MQ1

A1

A2

START

3

4

Q1

3

4

1 2

2

0V

+24V

Q1

A1

A2

START

3

4

Q1.1

3

4

Q1.2

3

4

M

1 2 3

Opdracht 5.

Bouw een “schakeling” waarbij u middels een pushbutton een relais bekrachtigt. Zie

onderstaande figuur.

Zorg ervoor dat een kontaktor (schakelaar van het relais) de motor AAN zet.

Fig 6

Wat is de grote tekortkoming.

Ben ik nu wat opgeschoten t.o.v. de situatie uit opdracht 4?

Opdracht 6.

In de vorige schakeling hebben we gemerkt dat de motor, door gebruik te maken van een terugverende drukknop, na loslaten direct weer uitschakelt. Door nu een maakcontact van de magneetschakelaar over de drukknop te schakelen, houdt deze zichzelf bekrachtigd na loslaten van de drukknop.

Schema(s):

Fig 7.

Start is een pushbutton-

maakcontact, waarmee we een

relais (Q1) kunnen bekrachtigen

Q1 is een relais met magneetspoel

A1-A2 en in dit geval (in de tweede

kolom) een maakcontact-schakelaar

Q1.

M is een DC-motor

10

Bouw deze schakeling

Neem het overneemcontact Q1.1 op in de reeds gebouwde schakeling van opdracht 5 waarbij de motor wordt vervangen door de led met weerstand. De led blijft branden na het indrukken van S. (Let niet op de benaming van de contacten en de zekering sluiten we niet aan). Bedenk nu zelf een oplossing om de lamp weer uit te kunnen schakelen middels een

"stopknop".

Opdracht 7.

De opdracht is een eenvoudig handbediend verkeerslicht te maken met twee drukknoppen die

een rode- en een groene lamp bedienen. De eis is dat de situatie groen èn rood tegelijkertijd

niet mag optreden. De stopknop waarnaar werd gevraagd in opdracht 6 is knop STOP. Dit is

een verbreekcontact (nc).

Schema(s):

Fig 8.

Bouw deze schakeling op en test de werking.

0V

+24V

Q1

A1

A2

START-L

3

4

Q1.1

3

4

Q2..2

3

4

Q2

A1

A2

START-R

3

4

Q2.1

3

4

Q2

1

2

Q1

1

2

Q1.2

3

4

STOP

1

2

2

3

4

6 7

4 1

11

M

Q1.2

3

4

Q2.3

3

4

Q2.2

3

4

Q1.3

3

4

+24V

0V

2

Werking:

Drukken we op drukknop START-L, dan zal Q1 bekrachtigd worden, aangezien de

stroomketen in Q2 direct wordt verbroken door het openen van Q1.4 kan Q2 niet meer

geactiveerd worden door te drukken op START-R Omgekeerd geldt dit ook voor Q2 en

START-R.

Als Q1 is bekrachtigd dan gaat de groene lamp branden en als Q2 wordt bekrachtigd dan gaat

de rode lamp branden.

Opdracht 8.

In de vorige opdracht ging na het indrukken van START-L de groene lamp branden en na het

indrukken van START-R de rode lamp branden. Dit gaan we vertalen naar de twee

draairichtingen van de motor: dus als knop START-L wordt ingedrukt moet de motor de ene

kant op draaien (bijvoorbeeld linksom) en als op knop START-R wordt gedrukt moet de

motor de andere kant op draaien (bijvoorbeeld rechtsom). De besturing (linker deel van

opdracht 7) blijft gelijk. Het rechterdeel (de lampen) wordt vervangen door een H-brug zoals

hieronder weergegeven:

Fig 9.

Vervang de rechterschakeling van opdracht 7 (met de lampjes) door de H-brug. De

schakelaars Q1.2 en Q1.3 horen bij het ene relais (Q1 in opdracht 7) en de schakelaars Q2.2

en Q2.3 horen bij het andere relais (Q2 in opdracht 7).

Werking:

Als relais Q1 wordt bekrachtigd sluiten de schakelaars Q1.2 enQ1.3 waardoor de stroom van

links naar rechts loopt door de motor. Hierdoor gaat de motor een bepaalde kant op

draaien. Als relais Q2 wordt bekrachtigd sluiten de schakelaars Q2.2 en Q2.3 waardoor de

stroom van rechts naar links loopt door de motor. De motor gaat nu de andere kant op

draaien.

Laat de werkende schakeling door de docent aftekenen!!