ELEKTROPNEUMAATIKA

Elektropneumaatika olemus

Elektropneumaatika erinevus tava pneumaatikast, erineb juhtimise poolest. Elektropneumaatikas toimub juhtimine kasutades elektrisignaali.

Meeldetuletus elektrotehnikast

Ohmi seadus vooluringi osa kohta

Vooluahelat läbiva elektrivoolu tugevus (I) on võrdeline selle lõigu otste potentsiaalide vahega (U) ja pöördvõrdeline lõigu takistusega (R).

Ohmi seadus vooluringi kohta

Suletud mittehargnevas vooluahelas on voolutugevus (I) võrdeline elektromotoorjõudude (E) summaga ja pöördvõrdeline ahela kogutakistusega (r).

Vooluringis, mis koosneb ühest või mitmest järjestikku ühendatud toiteallikast ja ühest või mitmest samasse ahelasse järjestiku ühendatud takistist, saab arvutada voolutugevust järgmiselt:

Ohmi seadus üldkujul

Vahelduvvoolu korral kehtib seos:

Vahelduvvoolu korral esineb kolme liiki elektritakistust: aktiivtakistus (r), induktiivtakistus (X_L) ja mahtuvustakistus (X_C).

Võimsus elektrotehnikas

Elektrotehnikas eristatakse hetk-(vatt W), aktiiv- (vatt W), reaktiiv- (varr qarr) ja näivvõimsust (volt amper VA).
Hetkevõimsuseks nimetatakse pinge ja voolutugevuse hetkväärtuse korrutist.
Aktiivvõimsuseks (tähis P) nimetatakse vahelduvvoolu hetkvõimsuse keskväärtust ühe perioodi keskel.
Reaktiivvõimsus (tähis Q) iseloomustab energia kondensaatoritesse ja induktiivpoolidesse salvestamise kiirust.
Näivvõimsus (tähis S) on aktiiv ja reaktiivõimsuse geomeetriline summa.

Elektriseadmete tähistused

Tabel 7.1. Elektriseadmete tähistused

Tähistus	Elemendid ja seadmed
А	Seadmete ja elementide grupid, juhul kui puudub üldtähistus.
В	Muundurid (mitteelektrilised suurused elektriliseks ja vastupidi ). Näiteks: elektroonilised andurid.
C	Elektrilised kondensaatorid.
E	Valgustusseadmed.
F	Kaitseseadmed.
G	Generaatorid, akumulaatorid, elektrivoolu allikad, toiteplokid.
H	Indikatsiooni seadmed, optilised ja akustilised signalisatsioonid
K	Relee mähis ja selle kontaktid, magnetkäivitid
L	Induktiivsus, mähised
M	Mootorid
R	Elektriline takistus
S	Kontaktid, lülitid, ümberlülitid, ja lõpplülitid
T	Transformaatorid
X	Klemmid, pistikud, pistikupesad, klemmliistud ja siinid, harukarbid, jootühendused
Y	Elektrisignaaliga juhitavad mehaanilised seadmed : käiguventiilid, pidurid  jne.

Elektropneumaatikas kasutatavad komponendid

Solenoidid (Solenoid)

Elektromagnet on magnetiliik, milles magnetväli tekitatakse elektrivoolu poolt. Voolu kadumisel kaob ka magnetväli. Briti elektriinsener William Sturgeon leiutas elektromagneti aastal 1825. Esimene elektromagnet oli hobuserauakujuline rauatükk, mille ümber oli mitu keerdu lõdvalt keritud mähis.

Kui mähist läbis elektrivool, elektromagnet magnetiseerus ning voolu lõppedes elektromagnet demagnetiseerus. Sturgeon demonstreeris selle jõudu, tõstes üles üheksa naela seitsme untsise rauatükiga, mille ümber olid mähitud traadid, millesse lasti üheelemendilise patarei vool (Joonis 7.1).

Kõige lihtsam elektromagneti tüüp on keerdu keritud traadijupp. Mähist, mis moodustab sirge toru kuju (sarnaselt korgitõmbajale), nimetatakse solenoidiks. Palju tugevama magnetvälja saab tekitada siis, kui mähise sisse asetatakse paramagnetilisest või ferromagnetilisest materjalist (tavaliselt pehmest rauast) "südamik". Südamik kontsentreerib magnetvälja, mis võib seejärel olla palju tugevam kui mähise enese väli.

Solenoid on seade, kus muundatakse elektrienergia mehaaniliseks energiaks. Liikumise järgi võib solenoide liigitada lineaarliikumisega ja pöördliikumisega solenoidideks.

Relee

Relee on elektromehaaniline seade, mis on ette nähtud elektriahelate kommutatsiooniks.
Relee koosneb järgmistest elementidest (Joonis 7.2.):

Joonis 7.2. Relee

Relee kontaktid tähistatakse 2 numbriga : esimene näitab kontakti gruppi, teine - missugune kontakt on (normaalselt avatud või normaalselt suletud).

Elektromagneti mähis on elektriahela koormus. Elektrivoolu tugevus selles ahelas sõltub relee gabariidist. Tavaliselt kasutatakse automaatikas väikse võimsusega releesid kuni 200mA , mis annab võimaluse kasutada releed mikroandurite koormuseks.

Relee mähisel pole tähtis polaarsus. Kuna relee on elektriahelale induktiivne koormus siis selleksks, et vältida liigpinget elektriahela kommutatsioonil, ühendatakse paralleelselt mähisega pooljuhtdiood. Sellisel juhul on tähtis polaarsus. Relee mähise klemm A1 ühendatakse plussiga, aga A2 – miinusiga.

Relee mähist tähistatakse numbriga Кn. Mähise all näidatakse kontaktide tabel. Relee kontaktid -Кn.n, kus esimene täht näitab relee numbrit, teine - kontakti gruppi.

Iseblokeerumine

Paralleelselt ühendatud juhtnupuga releekontakt (iseblokeerumiskontakt) annab võimaluse hoida releemähist aktiviseeritud olekus peale juhtsignaali välja lülitamist. See tähendab, et relee baasil on ka võimalik ehitada mälu elementi (joonis 7.4).

Joonis 7.4. Iseblokeerumisrelee tööpõhimõte

Iseblokeerumisreleesid on kahte tüüpi:

• Domineeriva väljalülitamisega
• Domineeriva sisselülitamisega

Iseblokeerimisrelee tüüp sõltub relee käitumisest juhul kui korraga on olemas nii sisse- kui ka väljalülitamissignaalid.
Sellisel juhul domineeriva väljalülitamisega releemähis ei ole aktiivne, aga domineeriva sisselülitamisega releemähis on aktiivne. Iseblokeerumisrelee skeemi valik sõltub sellest, kuidas peab käituma  mäluelement peale juhtsignaali valekäivitamist (joonis 7.5; 7.6).

Joonis 7.6. Iseblokeerumisrelee loogikaskeem

Elektromagnetiga juhitavad pneumojaotid (Elektromagnetid ja nende kommuteerimine)

Pneumojaotites kasutatakse vahetut juhtimist ja võimendusega juhtimist. Võimendusega juhtimise korral juhitakse solenoidi kaudu abijaotit, mille kaudu omakorda toimub pneumojaoti juhtimine (Joonis 7.7)

Joonis 7.7. Võimendusega 5/2 elektriliselt juhitav monostabiilne pneumojaoti [31]g

Kahe sisendiga ilma tagastusvedruta pneumojaoti nimetatakse impulssjaotiks ehk bistabiilseks pneumojaotiks. (Joonis 7.8)

Kui aktiveerida elektromagnet Y1, siis käiguventiili südamik muudab oma positsiooni ja avaneb käiguventiili õhukanal 1.4. Selle käiguventiili südamik jääb sellisesse asendisse seni, kuni antakse juhtsignaal elektromagnetile Y2. Ainult siis lülitub käiguventiil ümber ja avaneb õhukanal 1.2.

Tagastusvedru puudumise tõttu on sellel ventiilil tekkinud uued omadused:

• Jaoti ümberlülitamiseks piisab lühiajalisest signaalist – impulsist.
• Kuna südamik jääb peale ümberlülitamist muutumatusse asendisse, siis võib rääkida, et sellel elemendil on viimase signaali mälu.
• Juhtsignaali olemasolul mõlemalt poolt pneumojaoti südamik ei muuda oma asendit.

Joonis 7.8. Elektromagnetiga bistabiilse impulssjaoti ehitus ja sümbol [31]

Seadme juhtimisel tekib mõnikord ebasoovitav situatsioon kui impulssjaotile mõjuvad korraga kaks signaali vastusuunas. Sellisel juhul pneumojaoti ei soorita nõutavat ümberlülitamist. Ebasoovitavat juhtsignaali nimetatakse vastusignaaliks. Selle kõrvaldamiseks kasutatakse erinevaid lahendusi.

Loogikaelemendid elektropneumaatikas

Kontakti lahtine olek ehk selle elektriahela elektrivoolu puudus loetatakse loogiliseks nulliks.
Kontakti suletud olek ehk selle elektriahela elektrivoolu olemasolu loetatakse loogiliseks üheks.

Loogiline NING (AND) element

NING loogikat teostatakse kahe kontakti järjestikuse ühendamisega. Elektrivool läbib ahelat vaid siis, kui mõlemad kontaktid on suletud.

NING loogikafunktsiooni võib vaadelda ka läbi kõrvaloleva elektriskeemi, kus loogikalülitusel on sisendiks kaks surunuppu ja väljundiks lamp (joonis 7.10).

Loogiline VÕI (OR) element

VÕI loogikat teostatakse kahe lülituva kontakti paraleelse ühendamisega. Elektrovool läbib üldahelat iga kontakti sulgemisega. (joonis 7.12).

Loogiline EI (NOT) element

EI loogika inverteerib signaali ehk muudab signaali väärtuse vastupidiseks (joonis 7.13).
Kui esmalt on signaali väärtus loogiline 1 (elektrovool läbib ahelat/pinge on kõrge), siis pärast EI loogikat on signaali väärtus loogiline 0 (elektrovool ei läbi ahelat/pinge on madal) ja vastupidi.

EI loogikat võib vaadelda ja kasutada eraldi või kombineerida teiste loogikaelementidega. EI loogikat võib kasutada sisendsignaali inverteerimise või väljundsignaali inverteerimisega (joonis 7.14).

Joonis 7.14. Loogika EI (NO) elektriskeemi näited

Andurid elektropneumaatikas

Vaatleme mõningaid andurite tüüpe mida me kasutame praktilistes töödes. Põhjalikuma õppematerjali leiate e-kursusest "Andurid".

Kontaktandurid

Kontaktandurid (contacthrones) on muundurid, milles sirgjooneline või nurga nihe (mõõtmed) muundatakse elektriahelat juhtivate kontaktide avatud või suletud olekuks (joonis 7.15).

Magnet-juhtimisega kontaktid

See on üks variant kontaktmuunduritest (joonis 7.16). Neid nimetatakse ka herkoniteks (hermeetilisteks kontaktideks) või keelanduriks.

Joonis 7.16. Herkonandur [63]

Klaasampulli läbimõõt on u 3 mm ja see on u 20 mm pikkune. See on täidetud kas inertgaasiga (lämmastik, argoon või vesinik) või see on hermeetiline. Elektroodplaadid on sellesse pressitud. Need on valmistatud magnetiliselt pehmest materjalist (tavaliselt permalloi). Magnetväli sulgub nende ümber ja läbi kontaktide vahelise õhupilu. Kontaktid on kaetud hõbeda, kulla, plaatina, plaatina-roodiumi või nende sulamitega. Elektroodid töötavad magnetahelana, kontaktide ja vedrudena.

Kontakte juhitakse välise magnetväljaga, mida tekitab püsimagnet. Magnetväli muutub kahel viisil:

• magnetvälja tekitava püsimagneti liigutamise või pööramisega (jooni 7.17 а, b);
• püsimagneti ja ampulli vahele paigutatud ekraani liigutamisega (joonis 7.17 c).

Joonis 7.17. Herkonanduri tööpõhimõte [63]

Magnet-juhitavatel kontaktidel on järgmised eelised: väikesed mõõtmed, madal hind, hea oksüdeerumise- ja tolmukindlus, suur lülituste arv ning hea kiirus.

Joonis 7.18. Kolmejuhtmelise magnetanduri elektriskeem

Tavaliselt anduri juhtmed on mitmevärvilised:

• Punane +24V
• Sinine 0V
• Must väljundsignaal

Aegreleed elektropneumaatikas

Positiivsest frondist rakenduv aegrelee

Positiivsest  frondist rakenduv aegrelee (joonis 7.19)
 (Anzugverzögerungsrele – saksa), (задержка времени по переднему фронту – vene)

Joonis 7.19. Positiivsest frondist rakenduv aegrelee impulssdiagramm

Signaal relee väljundil tekib pärast relee seadistusega paika pandud aega. Sisendsignaali eemaldamisel kaob kohe ka väljundsignaal

Joonis 7.20. Positiivsest frondist rakenduv aegrelee elektriskeem Joonis 7.21. Positiivsest frondist rakenduv aegrelee mähis ja kontaktid

Nupu S1 vajutamisel antakse ajareleele sisendsignaal ja algab kondensaatori C1 laadimine ahela R1C1 järgi. El. kondensaatori klemmide pingete tõstmise kiirus sõltub ahela elementide nominaalidest: muutes R1-te muutub ka kondensaatori laadimiskõver.

Joonis 7.22. Laadimisdiagramm

Relee K1, saavutades tööpinge, lülitab kontaktid ümber.
Sisendsignaali eemaldamisel tühjeneb kondensaator praktiliselt momentaalselt kahte paralleelset ahelat pidi: D1R2 ja K1.

Negatiivsest frondist rakenduv aegrelee

Negatiivsest  frondist rakenduv aegrelee (joonis 7.23)
(Abfallverzögerungs – saksa, с задежеой по заднему фронту - vene).

Joonis 7.23. Negatiivsest frondist rakenduv aegrelee impulssdiagramm

Kondensaator laeb ennast täis praktiliselt kohe sisendsignaali andmisel. Relee rakendub. Sisendsignaali eemaldamisel kondensaator hoiab releed lülitatud asendis oma laadimispingega. Kondensaatori tühjakslaadimisel rakendumispinge  korral relee lülitab kontaktid ümber. Kondensaator laetakse tühjaks kahte ahelate pidi. Kondensaatori tühjakslaadimise kiirust, sellega ka relee seadistust, reguleeritakse R1-ga (joonis 7.24)

Joonis 7.24. Negatiivsest frondist rakenduv aegrelee elektriskeem ja laadimisdiagramm Joonis 7.25. Negatiivsest frondist rakenduv aegrelee mähis ja kontaktid