Post on 22-Feb-2020
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Ambrož Podkoritnik
UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA GENERATORJA
NA ELEKTROMOTORJIH PRALNIH STROJEV
Diplomsko delo
Maribor, junij 2009
I
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17
Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa
UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA GENERATORJA
NA ELEKTROMOTORJIH PRALNIH STROJEV
Študent: Ambrož PODKORITNIK
Študijski program: visokošolski strokovni, Elektrotehnika
Smer: Elektronika
Mentor: viš. pred. mag. Ladislav MIKOLA
Somentor: viš. pred. mag. Boris BIZJAK
Lektorica: Vesna Penec, prof. slovenščine
Maribor, junij 2009
II
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17
Številka: DE/XZ-97
Datum: 3. 10. 2009
19BSKLEP O DIPLOMSKI NALOGI 1. Ambrož PODKORITNIK , absolvent višješolskega študija elektrotehnike,
izpolnjuje pogoje za izdelavo diplomske naloge. 2. Tema diplomske naloge je s področja Inštituta za avtomatiko pri predmetu
MERITVE. MENTOR: red. pred. mag. Ladislav MIKOLA SOMENTOR: red. prof. mag. Boris BIZJAK
3. Naslov diplomske naloge
UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA GENERATORJA NA ELEKTROMOTORJIH PRALNIH STROJEV
4. Vsebina diplomske naloge Diplomska naloga je tematsko ločena na nekaj glavnih delov:
• Problematika stabilnega delovanja • Sistemi za stabilno delovanje • Delovanje tahometričnega generatorja • Regulacijska zanka • Meritve delovanja novega tahometričnega generatorja
PREDSTOJNIK INŠTITUTA
DEKAN
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju mag. Ladislavu Mikoli za
pomembne napotke in njegov čas pri izdelavi
diplomske naloge in somentorju mag. Borisu
Bizjaku. Zahvala gre tudi mentorju iz podjetja g.
Jakobu Koželjniku in g. Marjanu Grešovniku za
tehnično podporo.
Najpomembnejšo zahvalo pa bi namenil staršema,
ki sta mi omogočila študij.
IV
UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA
GENERATORJA NA ELEKTROMOTORJIH
PRALNIH STROJEV Klju čne besede : pralni stroj, elektromotor, stabilnost, tahometrični generator UDK: 621.313.3 : 648(043.2) Povzetek
Pralni stroj zaradi učinkovitosti pranja vrti pralni boben z visoko hitrostjo, pri čemer
nastanejo veliki pospeški. Ob neenakomerno razporejenem perilu v bobnu lahko pride do
velikih ekscentričnih sil, ki premaknejo pralni stroj. Pri sodobnih pralnih strojih je težava
dovolj dobro rešena z regulacijsko zanko, ki jo sestavlja eden ključnih elementov za
ustrezno delovanje in preprečuje mehanske premike pralnega stroja – tahometrični
generator.
Zamenjava z novim tahometričnim generatorjem zaradi ekonomskih dejavnikov bi
lahko neugodno vplivala na regulacijo in stabilno delovanje pralnega stroja, zato ga je
bilo treba preizkusiti z ustreznimi meritvami.
V
INTRODUCING THE NEW TAHOMETRIC
GENERATOR ON MOTORS FOR WASHING
MACHINES Key words : washing machine, electromotor, stability, tachometric generator UDK: 621.313.3 : 648(043.2)
Abstract
The washing machine turns the washing drum with high rapids per minute. The result
are high accelerations. The washing machine can be moved at large eccentric forces
caused by irregular arranged linen in the drum. However, the problem with new washing
machines is solved well enough by regulating loop, which consists of one of the key
elements for the proper opeartion and prevents mechanical movements of the washing
machine. This is a tachometric generator.
Changing to the new generator regarding economical purposes could have a bad affect
on regulation and stable operation of the washing machine so it had to be tested with the
corresponding measurements which have led to a decision for a replacement of the
generator.
VI
VSEBINA
1 UVOD ............................................................................................................1
2 STABILNO DELOVANJE PRALNEGA STROJA.................................2
2.1 NESTABILNOST..........................................................................................2 2.2 SISTEMI ZA STABILNO DELOVANJE ............................................................4 2.3 SESTAVA PRALNEGA STROJA.....................................................................6 2.4 INDUKCIJSKI ZAKON ..................................................................................8 2.5 TAHOMETRIČNI GENERATOR...................................................................17 2.6 ZANKA UNIVERZALNE KONTROLE STABILNOSTI ......................................19 2.7 DEFINICIJA MERJENJA EKSCENTRA..........................................................25 2.8 UVEDBA NOVEGA TAHOMETRIČNEGA GENERATORJA..............................32
3 MERITVE USTREZNOSTI DELOVANJA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA GENERATORJA .................................................33
3.1 PRIMERJAVA KARAKTERISTIK DELOVANJA TAHOMETRIČNIH
GENERATORJEV.............................................................................................34 3.2 MERJENJE IZHODNE NAPETOSTI PRI MINIMALNI HITROSTI VRTENJA.........37 3.3 MERJENJE EKSCENTRA PRALNEGA BOBNA...............................................38 3.4 PREIZKUS STABILNOSTI...........................................................................40
4 SKLEP.........................................................................................................44
5 VIRI, LITERATURA ................................................................................45
6 PRILOGE....................................................................................................46
6.1 ELEKTRIČNA SHEMA KRMILNE ELEKTRONIKE INVENSYS........................46 6.2 TABELA MERITVE STABILNOSTI Z REZULTATI ..........................................47 6.3 POROČILO O PREIZKUSU NOVEGA TAHOMTERIČNEGA GENERATORJA.......48 6.4 TEHNIČNI PODATKI NOVEGA TAHOMETRIČNEGA GENERATORJA..............49 6.5 VEZALNI NAČRT ELEKTRIČNIH KOMPONENT Z ELEKTRONIKO INVENSYS 50 6.6 SEZNAM SLIK ...........................................................................................51 6.7 SEZNAM TABEL .......................................................................................52
VII
1BUPORABLJENI SIMBOLI m - masa Fr - radialna sila Fz - centrifugalna sila ω - krožna frekvenca r - polmer v - obodna hitrost
ar - radialni pospešek
S - središče
I - električni tok
B - gostota magnetnega polja
F - sila na tokovodnik n - število prostih elektronov
S - presek vodnika υ - povprečna hitrost elektrona e0 - osnovni naboj
M - vrtilni moment a - projekcija stranice a
Mmax - najvišji vrtilni moment Ui - inducirana napetost
φ∆ - sprememba magnetnega pretoka t∆ - sprememba časa
N - število ovojev L - dolžina tuljave µ0 - magnetna indukcijska konstanta L - induktivnost m - masa S - projekcija preseka tuljave
+U0 - amplituda pozitivne periode inducirane napetosti -U0 - amplituda negativne periode inducirane napetosti
Wvrtenja - energija vrtenja Wpotencialna - potencialna energija Wmotorja - energija motorja h - višina UTAHO - napetost tahometričnega generatorja T1 - perioda, ki jo tahometrični generator proizvede med dviganjem povečane mase na
obodu pralnega bobna T2 - perioda, ki jo tahometrični generator proizvede med spuščanjem povečane mase na
obodu pralnega bobna t1 - čas potreben za dviganje povečane mase na obodu pralnega bobna t2 - čas potreben za spuščanje povečane mase na obodu pralnega bobna
Umotorja - napetost motorja Imotorja - tok motorja
VIII
tpospeševalni - pospeševalni čas tzaviralni - zaviralni čas Ut – napetost tahometričnega generatorja djermenice - premer jermenice dmotorja - premer osi motorja p - prestavno razmerje Nmotorja – število vrtljajev motorja v minuti
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 1
1 UVOD
Na sodobnem trgu prihaja do stalnega boja za ohranjanje tržnega deleža, ki si ga deli
več proizvajalcev istih izdelkov, storitev ipd. Eden od ciljev nekega podjetja je imeti čim
večji tržni delež in zato večji dobiček, to pa mu uspeva predvsem z naprednejšimi izdelki,
kot jih ima konkurenca, ugodnejšimi cenami izdelkov in učinkovitim marketingom.
Izdelek, kot je recimo pralni stroj, je že dobro razvit izdelek in kakšne večje napredne
tehnološke spremembe že skoraj niso več mogoče. Konkurenčnost se pridobiva recimo na
oblikovnem področju, ena od možnosti pa so pocenitve uporabljenih materialov in
elementov.
Pri končnih izdelkih vsak ugodnejši odstotek nabavne cene neke komponente ali
elementa za proizvodnjo zaradi velike serije vpliva na dobiček. Seveda je to stvar
ekonomije in strateških odločitev, naloga razvojnih oddelkov pa je, da nove in ugodnejše
komponente preizkusijo zaradi kakovosti in učinka na delovanje izdelkov.
Zaradi napovedane podražitve dobavitelja tahometričnega generatorja enemu od
dobaviteljev elektromotorjev za Gorenje je ta moral dobavitelja zamenjati za ugodnejšega,
odločitev pa je posredno vplivala na delovanje pralnega stroja.
Čeprav je tahometrični generator majhna komponenta, ima pomemben vpliv na
pravilno in stabilno delovanje pralnega stroja in je edini pokazatelj neenakomernega
vrtenja pralnega bobna. Skupaj z elektroniko, ki tvori »zanko« za kontrolo stabilnosti,
skrbi, da se stroj med delovanjem ne premika. Novi in cenejši bi zaradi drugačnih
karakteristik lahko slabo vplival na delovanje in le določeni preizkusi in meritve so
pokazali novo sliko ter njeno ustreznost za postavljene zahteve.
2 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
3B2 STABILNO DELOVANJE PRALNEGA STROJA
V majhnem koraku skozi zgodovino nastajanja modernega pralnega stroja bomo prišli
do točke, kjer se je začelo govoriti o problemu stabilnosti. V naslednjem bomo opisali
sisteme, ki so problematiko reševali, podrobneje pa se bomo osredotočili na sistem z
regulacijo, ki ga uporabljajo moderni pralni stroji in v katerem nastopa omenjeni
tahometrični generator. Njegova vloga pri vsem tem je zelo pomembna, in če ga želimo
zamenjati, je seveda novega treba dobro preizkusiti.
Tako bo glavni korak sestavljen iz meritev, ki bodo podale ustreznost ali neustreznost
nove komponente.
8B2.1 Nestabilnost
Če želimo opisati pojav nestabilnosti, moramo začeti pri kroženju. Vemo, da se telo
giblje enakomerno in premočrtno samo takrat, kadar nanj ne deluje nobena sila oz. če je
rezultanta sil, ki delujejo na to telo, enaka nič. Če pa naj bi se gibalo enakomerno po
krožnici, mora nanj delovati sila, pravokotno na smer gibanja. Ta radialna, centripetalna
sila Fr vleče telo k središču kroga in ga potegne v kroženje. V nasprotni smeri deluje (na
izvir centripetalne sile) enako velika centrifugalna (sredobežna) sila Fz. O sili govorimo
zaradi pripadajočega (radialnega) pospeška ar in mase m v točki na obodu, kjer ima sila
prijemališče (sl. 2.1).
Slika 2.1: Opis kroženja
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 3
Če te ugotovitve prenesemo na pralni stroj, se podobno dogaja s pralnim bobnom, ko se
vrti. Na njegovem obodu lahko v vsaki točki definiramo maso m, obodno hitrost v in
posledične radialne sile (zaradi radialnega pospeška ar in mase m) Fr in njej nasprotno
usmerjeno in enako veliko silo Fz. Ker je boben izdelan simetrično, je v vsaki točki na
obodu enaka masa in zato so vse sile na obodu enako velike s smerjo proti središču vrtenja
pralnega bobna. Vsaka sila v neki točki ima nasprotno usmerjeno silo v točki, ki je
premaknjena za 180˚ po obodu. Rezultanta takih dveh sil je enaka nič. Torej je pri praznem
pralnem bobnu rezultanta vseh centrifugalnih sil Fz enaka nič.
Problem nastane, če se v kakšni točki pojavi večja masa m. Takrat rezultanta ni več
enaka nič, posledica pa je neka sila, ki pralni boben vleče stran od središča vrtenja (sl. 2.2).
To povzroči kroženje središča S.
Slika 2.2: Kroženje okoli središča zaradi povečane mase na obodu
4 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Ko želimo iz perila iztisniti čim več vode, nam to uspe, če pralni boben dovolj hitro
vrtimo. Ob neenakomerno razporejenem perilu v pralnem bobnu pride do različnih
obremenitev v točkah na obodu bobna in pri vrtenju delujejo različne centrifugalne sile. Os
vrtenja se pomakne v smeri višje sile, kar povzroči kroženje celega pralnega sistema. Ker
je (kot bomo opisali v naslednjih poglavjih) pralni sistem prek blažilnikov in vzmeti vpet
na ohišje, se sila prenese na cel pralni stroj. Stroj lahko začne poskakovati in se premikati.
Takšen nestabilen stroj lahko poškoduje prostor in stvari v njem, se celo uniči ali nas
poškoduje.
Ker pogosto prihaja do neenakomerne razporeditve perila v pralnem bobnu, še zlasti v
primerih, ko je v bobnu malo perila, je treba hitrost vrtenja prilagoditi tako, da kroženje
pralnega sistema ne povzroča mehanskih premikov pralnega stroja.
2.2 Sistemi za stabilno delovanje
Prvi patenti pod kategorijo pralni stroji in ožemalniki perila segajo že v 17. stoletje.
Nastajale so prve kombinacije nekakšnih kovinskih pralnih bobnov, ki jih je bilo treba
ročno vrteti v posodi z vodo (lahko dodatno ogrevano z ognjem), in ožemalnih valjev, s
katerimi so po končanem pranju iz perila iztisnili vodo.
Pozneje so za vrtenje uporabljali elektromotorje z notranjim izgorevanjem (s sodobnimi
enaki le po principu delovanja), dokler se niso pojavili prvi električni pralni stroji takoj na
začetku 20. stoletja. Prav tako se je način ožemanja perila, ki ga poznamo danes, tako da
vrtimo pralni boben, voda pa zaradi centrifugalne sile odteka skozi luknjice na bobnu,
pojavil z električnimi pralnimi stroji, hkrati s tem pa nestabilno delovanje.
Avtomatski pralni stroji so se pojavili okrog leta 1940. Za avtomatsko delovanje je
skrbel mehanski programator, ki se je ob delovanju stroja vrtel in tako vklapljal različne
kontaktorje za ustrezno delovanje elektronskih komponent (elektromotor, črpalka …) pri
pranju. Poganjal ga je manjši elektromotor. Ker so ti stroji že dosegali dovolj velike hitrosti
vrtenja, je ob neenakomerno razporejenem perilu v (sušilnem) bobnu prihajalo do
ekscentričnega vrtenja in stroj se je lahko premikal.
Prve rešitve nestabilnega delovanja so bile preproste in predvsem mehanske. Pralni
stroj so preprosto privijačili, privarili ali ga kako drugače pričvrstili v tla. Ker stroji niso
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 5
uporabljali regulacije hitrosti vrtenja elektromotorja za pralni boben, se je ta v vseh fazah
pranja vrtel z določeno hitrostjo ne glede na stanje v pralnem bobnu.
Starejši avtomatski stroji so dosegali zelo majhne hitrosti vrtenja pri pranju, to je
maksimalno 200 ali 300 obr./min. Pri višjih obratih je namreč prihajalo do prevelikih
točkovnih sil zaradi neenakomerno razporejenega perila v bobnu in zato prevelikih
premikov. Naslednja rešitev je bila ta, da se je ves pralni sistem v ohišju pralnega stroja, ki
vsebuje pralni boben in ohišje pralnega bobna, postavil na blažilnike, ki so blažili
ekscentrično vrtenje in poskakovanje tega sistema. Uporabljati so se začele tudi težke uteži
(protiuteži), vpete na pralni sistem (navadno zgoraj in spodaj), ki so delovale nasprotno
ekscentričnim centrifugalnim silam zaradi neenakomerno razporejenega perila.
Namesto mehanskih programatorjev so začeli uporabljati elektronske, ki so pri vrtenju
sklepali oz. razklepali posebna mikrostikala. Vse bolj napredne mehanske rešitve so
pripomogle k večji hitrosti vrtenja pralnega bobna pri izpiranju (centrifuga). Navadno so
stroji dosegali hitrosti okrog 800 obr./min. Novejši programatorji so omogočali izklapljanje
elektromotorja, več stopenj hitrosti vrtenja v različnih fazah pranja in več različnih načinov
pranja.
Zanimiv in hkrati primitiven način nadzora, ki se je (pri nekaterih pralnih strojih) takrat
uporabljal za reševanje prevelikega ekscentra pri vrtenju bobna, je sistem s stikalom. Eden
od kontaktov je bil nameščen na pralnem sistemu, drugi pa na ohišju pralnega stroja. Če je
ob prevelikem ekscentru pralni sistem premočno zanihal, se je odmaknil od središčne lege
v ohišju in se dotaknil kontakta na ohišju. To je sklenilo tokokrog, ki je elektromotor
ustavil. Preprečeval je najhujše primere ekscentra in vnesel določeno varnost, a vseeno ni
bil natančen in pri določenih primerih je kljub temu prišlo do premikov.
V začetku devetdesetih let 20. stoletja, ko so v splošno uporabo prišli mikrokrmilniki,
je elektronski programator zamenjala elektronika z mikrokrmilnikom, ki v modernih
pralnih strojih nadzoruje delovanje in določa ves časovni potek pranja. Uporabljati so
začeli vezja za regulacijo oz. bolje rečeno regulacijske zanke, ki so skrbele za prilagajanje
hitrosti elektromotorja glede na trenutne razmere. S pomočjo regulacijskih sistemov
današnji pralni stroji ob ustrezno majhnem ekscentru pralnega bobna dosegajo hitrosti tudi
do 2000 obr./min brez neljubih premikov. Podrobnejši opis načina reguliranja hitrosti s
pomočjo mikrokrmilnika, elektronike in povratnih informacij iz tahometričnega
6 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
generatorja sledi v poznejšem poglavju, še prej pa bomo v grobem opisali zgradbo
današnjih pralnih strojev.
2.3 Sestava pralnega stroja
Moderni pralni stroji so kompaktnih oblik in omogočajo učinkovito pranje ter veliko
bolje oz. učinkovito rešujejo problem nestabilnosti.
V ohišju modernih pralnih strojev (evropski modeli s polnjenjem spredaj) najdemo tako
imenovano »pralno grupo«, ki je prek vzmeti in blažilnikov vpeta na ohišje (sl. 2.3). Na njo
so pričvrščene protiuteži (zgoraj in spodaj), ki zmanjšujejo ekscentrično silo pri pranju. Te
komponente mehansko pripomorejo k stabilnejšemu delovanju. »Pralna grupa« v
notranjosti vsebuje električni grelec in pralni boben, spodaj pa je pripet elektromotor, ki
prek jermena in jermenice vrti pralni boben. Sem se voda dozira iz priključne vodne cevi
prek dozirnega elektroventila in dozirne posode, za odvajanje vode iz bobna prek odtočne
cevi pa poskrbi elektročrpalka. Vse to spremlja hidrostat, ki skrbi za želeno raven vode v
bobnu in ob čezmerni ravni dotok vode izklopi. Omenjene komponente nadzoruje krmilna
enota na čelni plošči pralnega stroja, ki vse to (na podlagi naših želja z ukazom selektorja)
upravlja. Na sprednji stranici ohišja so postavljena vrata, skozi katera polnimo boben s
perilom, varuje pa jih elektromagnetno varovalno stikalo, ki onemogoča neljuba odpiranja
med pranjem.
Pogonski elektromotorji so lahko izmenični ali enosmerni. V glavnem se uporabljajo
univerzalni asinhroni izmenični elektromotorji. Lahko so eno- ali trifazni (za trifazni
električni tok skrbi inverter, ki enofazno omrežno napetost spreminja v trifazno). Električni
tok se prek komutatorja na rotor elektromotorja dovaja s pomočjo »krtačk«. Na osi rotorja
je nameščen tahometrični generator, ki je ključna komponenta za stabilno delovanje
pralnega stroja oz. ustrezno delovanje zanke stabilnosti, kot bomo videli pozneje. Ta
komponenta ni nič drugega kot majhen elektrogenerator, ki zaradi vrtenja ustvarja
indukcijo in proizvaja napetost.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 7
Slika 2.3: Notranjost pralnega stroja
8 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
2.4 Indukcijski zakon
a) MAGNETNO POLJE
Če želimo začeti opisovati tahometrični generator, bomo za razlago njegovega
delovanja najprej opisali zakon indukcije. V naravi poznamo poleg električne še magnetno
silo, ki sta v tesni povezavi.
Okrog magneta je prisotno magnetno polje, ki ga opišemo z magnetnimi tokovnicami.
To so črte, katerih tangente v vsaki točki kažejo smer magnetnice v ravnovesni legi.
Okrog vodnika, skozi katerega teče tok, prav tako nastane magnetno polje. V tem
primeru so magnetne tokovnice koncentrični krogi, pravokotni na vodnik; središče krogov
je na vodniku. Smer tokovnic dobimo s pravilom desnosučnega vijaka. Če privijamo vijak
v smeri krožnih tokovnic, se desni vijak premika v smeri toka v vodniku.
Ker električni tok pomeni gibanje električnih delcev, sklepamo, da so ti povzročitelj
magnetnega polja in zato nastane povezava med elektriko in magnetizmom. Pojave
imenujemo elektromagnetni pojavi.
Če ravni vodnik zvijemo v obliko tokovne zanke (sl. 2.4), tokovnice potekajo skozi
notranjost zanke, se zunaj zakrivijo in pridejo z druge strani spet v zanko ter se tako
zaključujejo.
Slika 2.4: Magnetne tokovnice v tokovni zanki
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 9
Magnetno polje se ojači, če položimo drugo na drugo več enakih tokovnih zank, tako da
skozi vse zanke teče tok v enaki smeri. Najenostavneje je, če zanke povežemo v spiralo.
Takšno zaporedje tokovnih zank se imenuje tuljava (sl. 2.5); posamezna zanka je ovoj
tuljave.
Poskus z magnetnimi opilki pokaže, da so magnetne tokovnice v notranjosti tuljave
ravne in vzporedne, če je tuljava dolga in ozka, če je dolžina tuljave velika v primerjavi z
njenim premerom. Smer silnic prav tako določimo s pravilom desnosučnega vijaka.
Slika 2.5: Magnetne tokovnice v tuljavi Če vodnik položimo v homogeno magnetno polje (polje z ravnimi in vzporednimi
magnetnimi tokovnicami) in skozi vodnik spustimo električni tok (I), opazimo, da se
vodnik premakne v smeri pravokotno na tokovnice in pravokotno na smer toka. Premik
povzroči magnetna sila, ki deluje na vodnik v magnetnem polju. Smer magnetne sile se
obrne, če spremenimo smer toka skozi vodnik ali če obrnemo smer magnetnih silnic (sl.
2.6).
Slika 2.6: Sila na vodnik v magnetnem polju
10 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Če je vodnik v magnetnem polju, se elektroni premikajo vzdolž vodnika s povprečno
hitrostjo υ. Električni tok (I) pove naboj, ki v enoti časa preteče skozi prečni presek (S)
vodnika. Recimo, da je v enoti prostornine n prostih elektronov. V enoti časa preteče skozi
prečni presek vodnika:
0eSnI ⋅⋅⋅= υ (2.1)
Na vsak elektron, ki se po vodniku pomika s povprečno hitrostjo (υ), deluje magnetna sila:
BeFm ⋅⋅= υ0 (2.2)
Magnetna sila F na celotni vodnik dolžine l je produkt števila gibajočih se elektronov in
sile Fm na en elektron. Tako dobimo:
BleSnBelSnFlSnF m ⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅= 00 υυ (2.3)
Dobimo končno enačbo, ki opisuje magnetno silo na tokovni vodnik:
BlIF ⋅⋅= (2.4)
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 11
b) VRTILNI MOMENT MAGNETNE SILE
Magnetna sila, ki deluje na raven vodnik, je pravokotna na smer vodnika in smer
magnetnih silnic. Če vodnik zavijemo v tokovno zanko in skozi zanko spustimo tok, dobi
zanka lastno magnetno polje (sl. 2.4). Magnetno polje zanke je močnejše, če je tok skozi
zanko večji. Takšno zanko položimo v homogeno magnetno polje. Na vsak del zanke
deluje magnetna sila, različna za različne dele zanke. Celotni učinek magnetnega polja na
zanko je zasuk zanke; na zanko deluje vrtilni moment, ki ga povzroča magnetna sila. Zanka
se umiri tako, da je ravnina zanke pravokotna na magnetne tokovnice in je lastno magnetno
polje zanke usmerjeno vzdolž tokovnic zunanjega magnetnega polja. Pojav je podoben kot
tisti z magnetno iglo, ki se usmeri z zemeljskimi magnetnimi silnicami.
Če bi tej zanki nato spremenili smer toka, bi se njene silnice zasukale za 180˚ in se
poskušale izravnati z zunanjim magnetnim poljem. Povzročili bi, da bi se zanka zavrtela za
180˚ in se umirila. Če bi smer toka menjavali, bi dosegli vrtenje zanke.
Za tahometrični generator bo zanimiv obraten pojav, ki bo opisan pod točko c).
12 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Za določitev magnetne sile in vrtilnega momenta vzemimo pravokotno tokovno zanko,
katere lastne magnetne silnice niso poravnane z zunanjim magnetnim poljem (sl. 2.7). Na
stranico b, ki predstavlja dolžino zgornje stranice pravokotne zanke, učinkujeta enako
veliki, a nasprotno usmerjeni sili:
BlIF ⋅⋅= (2.5)
Njun vrtilni moment opisuje spodnja enačba:
'aFM ⋅= , (2.6)
pri čemer je a' projekcija stranice a (višina tokovne zanke) na smer tokovnic. Par nasprotno
usmerjenih sil F zavrti zanko tako, da se ravnina zanke usmeri pravokotno na tokovnice. V
tej legi je vrtilni moment teh sil nič, sili F sta v isti črti in nasprotno usmerjeni (a'= 0).
Slika 2.7: Prikaz vrtilnega momenta, ki nastane v tokovni zanki
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 13
Vrtilni moment magnetnih sil na tokovno zanko M se med vrtenjem zanke spreminja,
ker se spreminja projekcija a' stranice a na smer tokovnic zunanjega magnetnega polja:
spreminja se med 0 (ko je ravnina zanke pravokotna na tokovnice in je a' = 0) in med
največjo vrednostjo:
abBIM ⋅⋅⋅=max , (2.7)
ki jo doseže v trenutku, ko se tokovnice zunanjega magnetnega polja uležejo v ravnino
zanke. Produkt b · a (stranic pravokotne zanke) je ploščina tokovne zanke S:
Če v magnetno polje postavimo tuljavico z N ovoji, na vsak ovoj tuljavice deluje vrtilni
moment magnetnih sil. Ker so ovoji trdno povezani med seboj, je celotni vrtilni moment na
tuljavico vsota vrtilnih momentov na posamezne zanke tuljavice. Vrtilni moment na
tuljavico se spreminja v odvisnosti od smeri tuljavice glede na tokovnice med 0 in
maksimalno vrednostjo:
SBINM ⋅⋅⋅=max (2.8)
Dobimo diagram spreminjanja vrtilnega momenta M v odvisnosti od kota φ, ki ga
pravokotnica na ravnino tuljavice oklepa s smerjo magnetnih tokovnic (sl. 2.8).
Slika 2.8: Diagram odvisnosti vrtilnega momenta M od kota postavitve φ tuljave
glede na zunanje magnetno polje
14 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
c) ELEKTROMAGNETNA INDUKCIJA
Vemo, da električni tok steče skozi prevodno snov, če jo položimo v električno polje,
ali če prevodnik priključimo na vir napetosti. Pomembno je, da dobimo električni tok tudi
v magnetnem polju.
Za primer ponovno vzemimo prevodno zanko. Ker v tokovnem krogu ni vira napetosti,
tok ne teče. Če tej zanki približamo magnet, skozi zanko steče tok, ki je tem večji, čim
hitreje magnet sunemo skozi zanko. Ko se magnet v zanki umiri, tok preneha teči. Če
magnet hitro potegnemo iz zanke, spet steče tok skozi zanko, vendar tokrat v nasprotni
smeri.
V sklenjeni zanki nastane (se inducira) napetost, če se magnetni pretok skozi zanko
spreminja s časom. Inducirana napetost je tem večja, čim večja je sprememba magnetnega
pretoka v enoti časa:
tU i ∆
∆= φ (2.9)
Tuljava ali katerikoli sklenjeni vodnik, po katerem teče tok, ima lastno magnetno polje.
Skozi tuljavo teče magnetni pretok:
Il
SNS
l
INSB ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅= 00 µµφ , (2.10)
ki je premosorazmeren toku I skozi tuljavo. Če se tok I spremeni, se spremeni tudi
magnetni pretok skozi tuljavo in v tuljavi se inducira napetost. Recimo, da se v kratkem
časovnem intervalu ∆t tok v tuljavi spremeni za ∆I. Magnetni pretok skozi tuljavo se
spremeni za ∆Φ. V vsakem ovoju tuljave se inducira napetost:
t
I
l
SN
t ∆∆⋅⋅⋅=
∆∆
0µφ (2.11)
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 15
Ovoji tuljave so vezani zaporedno, zato je v celotni tuljavi (z N ovoji) inducirana
napetost vsota napetosti, ki se inducirajo v posameznih ovojih:
t
I
l
SN
tNU i ∆
∆⋅⋅⋅=∆∆⋅=
2
0µφ (2.12)
Določeni parametri so odvisni od tuljave in jih lahko združimo v parameter L, ki pove,
kolikšna napetost se inducira v tuljavi, če se tok v 1 s spremeni za 1 A:
t
ILU i ∆
∆⋅= (2.13)
Iz vsega naštetega je mogoče sklepati, da bi lahko indukcijo uporabili tudi za
pridobivanje izmenične napetosti. S premikanjem vodnika v magnetnem polju induciramo
napetost, ki poganja električni tok skozi sklenjen tokovni krog. Recimo, da je vodnik
prečka gugalnice, ki niha v homogenem magnetnem polju; prečka je ravna, tokovnice pa so
navpične. Ko se prečka giblje v desno, teče inducirani tok v eno smer, ki se spremeni, ko
zaniha v drugo. Z nihanjem vodnika v magnetnem polju torej ustvarjamo napetost, ki
spreminja predznak. Dobimo tako imenovano izmenično napetost.
Nihanje vodnika v magnetnem polju je bolje nadomestiti z vrtenjem tuljavice, pri čemer
je os vrtenja pravokotna na magnetne tokovnice. Magnetni pretok skozi tuljavico je
odvisen od usmeritve tuljavice od usmeritve tuljavice glede na tokovnice:
'SB ⋅=φ (2.14)
S' je projekcija preseka S (b·a) tuljavice na ravnino, ki je pravokotna na tokovnice. Med
vrtenjem se S' spreminja od največje vrednosti S (ko je ravnina tuljavice pravokotna na
tokovnice) do vrednosti 0 (ko tokovnice tečejo mimo tuljavice) in spet od vrednosti 0 do
največje vrednosti S'. Magnetni pretok skozi tuljavico se zaradi vrtenja spreminja, zato se v
vsakem ovoju tuljavice inducira napetost (sl. 2.7).
16 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Ugotovimo, da se v tuljavi inducirana napetost spreminja s časom harmonično, kot kaže
krivulja. Dobimo sinusno izmenično napetost.
Slika 2.9: Vrtenje tuljave v magnetnem polju in oblika inducirane napetosti
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 17
2.5 Tahometri čni generator
Tahometrični generator ali tahogenerator je majhen električen stroj (sl. 2.10), katerega
napetost in frekvenca na sponkah sta sorazmerni hitrosti vrtenja. Uporablja se povsod tam,
kjer je treba meriti hitrost. Značilni primer uporabe je oscilografiranje prehodnih pojavov v
elektromotornih pogonih, kjer je treba zasledovati, kako se spreminja hitrost vrtenja
elektromotorja. Ti generatorji so tudi nepogrešljivi sestavni del regulacijskih sistemov, kjer
upoštevamo ali reguliramo hitrost vrtenja stroja.
Napetost je odvisna od hitrosti vrtenja elektromotorja, in sicer se z večanjem višata
amplituda in frekvenca signala, saj se zaradi večje spremembe magnetnega pretoka ∆Φ
skozi ovoje tuljavic inducira višja napetost.
Obstaja nekaj različic tahogeneratorjev. V elektromotorjih Gorenjevih pralnih strojih se
uporablja sinhronski. Nameščen je na rotor univerzalnega elektromotorja, ki poganja pralni
boben. Rotor ima izdelan kot permanentni magnet, ki se vrti v ohišju statorja, kjer so
nameščene tuljavice, v katerih se inducira napetost. V statorju najdemo 16 polov oziroma
osem parov polov, kar pomeni, da pri enem obratu osi elektromotorja tahometrični
generator proizvede osem period sinusnega signala.
Za določanje hitrosti vrtenja se uporablja merjenje frekvence, saj se pri tem izločijo vse
motnje, ki lahko nastanejo, saj je frekvenca odvisna samo od hitrosti vrtenja, zaradi prej
omenjenih 16 polov pa je dosežena večja natančnost.
Tahometrični generator je edina komponenta v regulacijski zanki, ki na podlagi
enakomernosti oz. neenakomernosti signala in velikosti frekvence pove elektroniki, kaj se
dogaja s pralnim bobnom, ali bolje rečeno, ponudi podatek o ekscentru in ves čas meri
vrtljaje. Na podlagi tega elektronika regulira elektromotor in njegovo hitrost vrtenja.
18 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Slika 2.10: Tahometrični generator
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 19
2.6 Zanka univerzalne kontrole stabilnosti
V modernih pralnih strojih se uporablja elektronika, ki upravlja in nadzoruje delovanje
pralnega stroja. V starejših pralnih strojih, kjer so se uporabljali mehanski programatorji, je
bilo stabilno delovanje pralnega stroja teže zagotoviti. Elektromotorji niso bili regulirani,
zato so bile hitrosti vrtenja vnaprej določene in zato pri izpiranju dosti manjše.
Zdaj, ko delovanje uravnavata elektronika in mikrokrmilnik, je hitrost vrtenja mogoče
regulirati glede na razmere v pralnem bobnu.
a) KRMILNA ELEKTRONIKA PRALNEGA STROJA
Za osnovo smo vzeli elektroniko proizvajalca INVENSYS, saj smo jo uporabljali za meritve
in preizkušanje tahometričnega generatorja (sl. 2.11).
Slika 2.11: Krmilna elektronika INVENSYS
20 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Komponenta je osrednji del pralnega stroja. Nanjo so vezane vse elektronske komponente
pralnega stroja, krmili pa jih mikrokrmilnik. Prek ohišja imamo dostop le do selektorja in
tipkal. Selektor je vrtljiv gumb, z njegovim položajem pa pošiljamo ukaz za izvajanje
določenega programa pranja. Podobno vlogo igrajo tipke (START, STOP, dodatni ukazi za
pranje). Posamezne komponente, ki so priključene na elektroniko, smo v grobem omenili v
poglavju o sestavi pralnega stroja (2.2), njihova poenostavljena priključitvena shema pa je
prikazana spodaj (sl. 2.12).
Slika 2.12: Priključitvena shema elektronskih komponent in elektronike
Za stabilno delovanje je pomemben del vezja, ki smo ga »izluščili« na podlagi vezalne
sheme INVENSYS-ove elektronike (priloga 6.1) in skrbi za regulacijo. Imenovali ga bomo
zanka univerzalne kontrole stabilnosti. Ker ima pomembno vlogo v omenjeni zanki
tahometrični generator, bomo najprej opisali njegovo vlogo pri regulaciji.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 21
b) PODATEK TAHOMETRIČNEGA GENERATORJA O EKSCENTRU
Tahometrični generator pri večjih hitrostih vrtenja generira višjo napetost z višjo
frekvenco oz. pri manjših hitrostih vrtenja generira nižjo napetost, nižje frekvence. Če
elektromotorju dovajamo konstantno moč in je na obodu pralnega bobna v vseh točkah
enaka masa, bo njegova obodna hitrost konstantna. Če se v nekem delu na obodu pralnega
bobna pojavi večja masa m kot na drugih delih (koncentracija perila na nekem delu
pralnega bobna), pri vrtenju prihaja do neenakomernega vrtenja oz. nekonstantne obodne
hitrosti v. Razlog za to je premagovanje višine h povečane mase m na obodu. Ko se breme
povečane mase m »vzpenja«, mora elektromotor nekaj energije porabiti za dvig povečane
mase m. Masa m dobi potencialno energijo, ki pa jo, ko »pada« (izgublja višino h), odda
elektromotorju (sl. 2.13). Tako se, ko se masa m dviguje, pralni boben vrti počasneje, saj se
energija vrtenja WVRTENJA 1 zmanjša za WPOTENCIALNO, ki je potrebna za dvig mase m. Ko
masa m pada, se zaradi večje energije vrtenja WVRTENJA 2 pralni boben vrti hitreje.
Slika 2.13: Kroženje povečane mase na obodu pralnega bobna
22 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Ker je, kot smo omenili v poglavju o tahometričnem generatorju, omenjena
komponenta na osi rotorja elektromotorja, se vrti skupaj z njim. Elektromotor je prek
jermena vezan na jermenico pralnega bobna. Njun premer je različen (poglavje 3.2). Za
poenostavljeno in preglednejšo razlago bomo uporabili razmerje premerov 1 : 1, se pravi,
da se bo ob enem zavrtljaju pralnega bobna elektromotor prav tako zavrtel enkrat, skupaj z
njim pa tahometrični generator. Zaradi 16 polov (omenjeno v prejšnjem poglavju)
tahometrični generator ob enem zavrtljaju generira osem period sinusnega signala. Če stvar
združimo s prej omenjenim vrtenjem povečane mase m na obodu, to pomeni naslednje. V
prvi polovici zavrtljaja, ko masa m premaguje višino h, se elektromotor vrti malo
počasneje. Generirane periode (T1) sinusne napetosti tahometričnega generatorja so daljše
(z nižjo amplitudo), saj pri polovici zavrtljaja elektromotor potrebuje več časa (t1). Ko v
drugi polovici zavrtljaja masa m začne padati, se elektromotor vrti hitreje. Tako so
generirane periode (T2) tahometričnega generatorja krajše (z višjo amplitudo), ker
elektromotor potrebuje manj časa (t2) , da opravi drugo polovico zavrtljaja (sl. 2.14).
Slika 2.14: Generiranje sinusne napetosti tahometričnega generatorja ob ekscentričnem
vrtenju pralnega bobna
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 23
Ker je razmerje premerov različno, se tahometrični generator ob enem zavrtljaju
pralnega bobna zavrti približno dvajsetkrat. Tako je vsako neenakomerno oz. ekscentrično
vrtenje še točneje določljivo.
c) ZANKA UNIVERZALNE KONTROLE STABILNOSTI
Za regulacijo univerzalnih elektromotorjev se uporablja več metod regulacije, kot so
recimo AC fazna regulacija, DC fazna regulacija, sprememba enosmerne napetosti,
sprememba širine oz. vrednosti impulzov, itd. V INVENSYS-ovi elektroniki je uporabljena
AC (izmenična) fazna regulacija, kar pomeni, da se glede na hitrost vrtenja elektromotorja
regulira kot odprtja triaka (sl. 2.15).
Slika 2.15: AC regulacija univerzalnega elektromotorja
Celotna zanka se najprej začne pri signalu iz tahometričnega generatorja (del b tega
poglavja), ki ga najprej usmeri usmernik, ki za polovico zmanjša njegovo amplitudo in
poreže negativno polperiodo. Sinusni impulzi gredo na tako imenovano »TAHO vezje«, ki
24 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
impulze spremeni v pravokotne (z amplitudo 5V), ki so primernejši za vhod
mikrokrmilnika. Tako ta na vhod dobiva pravokotne impulze (v primeru ekscentra,
različnih širin). Program v krmilniku beleži in meri čase impulzov in intervalno določa
povprečno vrednost. Tako lahko na podlagi več intervalov s primerjavo določi odstopanje.
Logika v programu potem ekcentru določi neko vrednost. Izhod na podlagi te vrednosti
pošilja različne dolžine impulzov na vrata (gate) triaka. Ena od anod triaka je vezana na
napajalno napetost (230 V, 50 Hz), prek druge anode pa je napajalna napetost vodena na
elektromotor, če je na vhodu triaka (gate) prisoten signal, ki ga pošilja mikrokrmilnik.
Tako lahko elektronika z določanjem dolžine izhodnih impulzov elektromotor
pospešuje ali zavira, in sicer če so impulzi iz mikrokrmilnika dolgi, bo elektromotor
pospeševal, če pa so kratki oz. jih sploh ni, bo elektromotor zaviral (sl. 2.16).
Regulacija vrtljajev je izdelana po določenem stopenjskem algoritmu (razložen bo v
naslednjem poglavju), ki določa meje ekscentra. Čim višji je ekscenter vrtenja, tem nižji
bodo maksimalni vrtljaji elektromotorja pri izpiranju oz. nasprotno.
Slika 2.16: Vezje zanke za univerzalno kontrolo stabilnosti
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 25
2.7 Definicija merjenja ekscentra
Elektronika meri (ne)stabilnost (UKS) ves čas med razvrščanjem perila in pozneje pri
izpiranju oz. v centrifugi. Maksimalno število vrtljajev za ekscenter določimo s pomočjo
gumijastih uteži (od 0.2 do 1.3 kg), ki jih vstavimo vzporedno s pralnimi rebri v pralni
boben. Te uteži potem pomenijo povečano maso na obodu pralnega bobna (poglavje 2.1).
Ker so uteži pričvrščene na notranji del stene pralnega stroja, ostaja ekscenter pri vrtenju
ves čas enak in so pogoji pri vrtenju ponovljivi. Tako se za določeno utež določi hitrost
vrtenja, pri kateri ne prihaja do premikov in pri kateri je pralni stroj mehansko stabilen in s
tem se določijo meje (tabela 2.1).
Tabela 2.1: Tabela mejnih vrednosti mase uteži na obodu pralnega bobna
Meje stabilnosti
Ime
Velik boben (šest- in sedemkilogramsko
polnjenje)
Majhen boben – SLIM (štiri- in 4.5-kilogramsko polnjenje)
1. redukcija low – L 0,20 kg 0,20 kg 2. redukcija medium – M 0,35 kg 0,35 kg 3. redukcija medium 1 – M1 0,55 kg 0,55 kg 4. redukcija high – H 1,00 kg 0,80 kg NI VRTENJA no spin – NS 1,30 kg 1,00 kg
Vsaka redukcija je odvisna od nazivne vrednosti oz. maksimalnega števila vrtljajev
pralnega stroja (tabela 2.2) in za vsak način pranja je definiran drugačen profil (bombaž,
volna …).
Tabela 2.2: Stopnje redukcij najvišjih možnih vrtljajev
Nazivno. št. vrtljajev (obr./min)
1. redukcija 2. redukcija 3. redukcija
450 450 450 400 400 650 650 600 400 400 850 850 800 600 400 1000 1000 800 800 600 1100 1100 800 800 600 1200 1200 1050 800 600 1300 1300 1050 800 600 1400 1400 1050 800 600
26 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Ker smo vse meritve izvajali na pralnih strojih 650 obr./min nazivnih vrtljajev, bomo
proces merjenja ekscentra in določanja maksimalnih vrtljajev za že definiran profil opisali
za omenjeni primer in za način »bombaž«.
Razdeljen je na tri glavne dele (tri tretjine). V prvi in drugi tretjini je dovoljenih največ
dvanajst merjenj ekscentra in poizkusov, da pralni stroj doseže čim večjo hitrost vrtenja. V
zadnji (tretji) tretjini pa je za dosego optimalnega števila vrtljajev dovoljenih petnajst
merjenj in poizkusov (tabeli 2.3 in 2.4). Merilni interval se izvede po naslednjih korakih
(točke a, b in c):
Ua) Razvrščanje perila:
• ustavitev elektromotorja,
• čakanje na ustavitev pralnega bobna,
• 5 s pranja v glavni smeri vrtenja,
• 5 s premora,
• 5 s pranja v nasprotni smeri glavne smeri vrtenja,
• 5 s premora.
Ub) Proces merjenja ekscentra (merilni interval):
• pospeševanje v glavni smeri vrtenja v najkrajšem možnem času do 58 obr./min
(v diagramu na sliki 2.13 označen kot tposp),
• pospeševanje do 90 obr./min v času 20 s (s pospeškom 2 obr./min vsako sekundo),
• 10 s vrtenja z 90 obr./min, da se izmeri ekscenter in poda odločitev.
Uc) Ponovno razvrščanje perila (naslednji merilni interval):
• zaviranje na 65 obr./min (v diagramu na sliki 2.13 označen kot tzav),
• 5 s vrtenja s 65 obr./min,
• pospeševanje do 90 obr./min v času 15 s (s pospeškom 2 obr./min vsako sekundo),
• 10 s vrtenja z 90 obr./min, da se izmeri ekscenter in poda odločitev.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 27
Slika 2.17: Časovni diagram merjenja ekscentra
Cilj je, da se v čim krajšem času perilo razvrsti tako, da bo pri tem nastal čim manjši
ekscenter in ko ga bo elektronika (ponovno) izmerila, tudi dovolila večjo hitrost vrtenja. Če
se zaradi določenega stanja v bobnu (ko je v njem malo, a razmeroma težkih kosov perila)
ustrezne razvrstitve vseeno ne doseže, je dobro, da se v čim krajšem času določi ustrezno
manjšo hitrost vrtenja (redukcija) pri izpiranju.
V ta namen so spisani algoritmi, po katerih deluje elektronika, ko meri ekscenter.
Seveda se jih pogosto spreminja tudi za obstoječe modele pralnih strojev, da se zmanjša
čas, a kljub temu ohrani učinkovitost pranja in pridobi konkurenčnost.
Eden takšnih algoritmov je tudi naslednji (tabela 2.4), pri katerem se dovoli največ
dvanajst poizkusov merjenja ekscentra, preden se poda odločitev dovoljene največje
hitrosti vrtenja. Tabela je osnova za celotno meritev ekscentra pred končnim merjenjem
centrifuge.
V prvih devetih merilnih intervalih elektronika ne dovoli višjega ekscentra od tistega, ki
je bil definiran z 0,55-kilogramsko utežjo. Če je ekscenter višji, ponovno razvrsti perilo
(točka c). Če je v tretjem poizkusu ekscenter še vedno prevelik, sledi vrtenje v obeh
smereh, da se perilo učinkoviteje porazdeli v pralnem bobnu. Če je v devetih poizkusih
ekscenter še vedno višji kot 0,55 kg, elektronika dovoli večji ekscenter in zato nižjo hitrost
vrtenja pralnega bobna.
28 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Tabela 2.3: Algoritem merjenja ekscentra (1. in 2. tretjina)
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 29
Ko v enem od merilnih intervalov elektronika izmeri ustrezen ekscenter (glede na
tabelo 2.3), sledi naslednji korak:
Ud) Prva konica (ponovi se samo enkrat):
• pospeševanje do največ 500 obr./min (s pospeškom 60 obr./min vsako sekundo),
• 10 s vrtenja s 500 obr./min,
Uponovno sledijo koraki: razvrščanje perilaU, proces merjenja ekscentraU, Uppponovno razvrščanje perila.
Po 10 sekundah vrtenja se spet začne izvajati razvrščanje perila in tukaj elektronika
deluje po že opisanem algoritmu (tabela 2.3). Ko v enem od dvanajstih merilnih intervalov
izmeri ustrezno vrednost ekscentra, izvede naslednji korak:
Ue) Druga konica (ponovi se samo enkrat):
• pospeševanje do največ 650 obr./min (oz. do največ 700 obr./min, če je nazivno
število vrtljajev definirano višje; s pospeškom 60 obr./min vsako sekundo),
• 15 s vrtenja s 650 obr./min,
U SSSponovno sledijo koraki: razvrščanje perilaU, proces merjenja ekscentraU, Uppponovno razvrščanje perila.
Po drugi konici (10 sekundah vrtenja) je algoritem merjenja ekscentra malo drugačen.
Dovoljuje največ petnajst poskusov, saj so zadnji trije namenjeni iskanju meje, če je
ekscenter tako velik, da tudi pri najnižji hitrosti vrtenja (400 obr./min za ožemanje) pralni
stroj ne bi bil mehansko stabilen. Elektronika takrat preklopi v program za ponovno
močenje perila, da bi se s tem doseglo ugodnejše stanje v pralnem bobnu pri vnovičnem
merjenju ekscentra (tabela 2.4). Po močenju se opisana stvar ponovi od točke a). Če
elektronika v petnajstih merilnih intervalih izmeri ustrezen ekscenter, določi ustrezno
hitrost in zatem sledi ožemanje (glavna centrifuga).
30 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Tabela 2.4: Algoritem merjenja ekscentra (zadnja tretjina)
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 31
Če je v katerem od korakov zadnje tretjine izmerjen ekscenter manjši kot 0,2 kg, zaradi
varnosti elektronika meritev izvede še enkrat in šele takrat (ob enakem pogoju ekscentra)
dovoli ožemanje in maksimalno hitrost vrtenja (v našem primeru je to 650 obr./min.)
Celoten grafični poteka razvrščanja perila in merjenja ekscentra je prikazan na
spodnjem diagramu (sl. 2.18). Uporabljeni so maksimalno število merilnih vrtljajev v vsaki
tretjini merjenja in maksimalne dovoljene hitrosti vrtenja pralnega bobna v vsaki konici (1.
in 2. ter zadnji del, ki pomeni končno ožemanje).
Slika 2.18: Grafični potek merjenja ekscentra
32 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
2.8 Uvedba novega tahometri čnega generatorja
Dosedanji in novi (ELTEK) tahogenerator se razlikujeta v mehanskih lastnostih (tabela
2.5). Kot smo omenili, je francoski proizvajalec in dobavitelj univerzalnih elektromotorjev
SELNI zahteval zamenjavo zaradi pocenitve in zato menjavo dobavitelja tahometričnih
generatorjev. Eden od načinov pocenitve je tudi ta, da se zmanjšata število ovojev tuljav in
debelina žice navitja.
Tabela 2.5: Primerjava specifikacij dosedanjega in novega tahometričnega generatorja
Upornost [Ω] Premer žice [mm] Št. ovojev
DOSEDANJI TAHOGENERATOR 90 ± 12 % 0,125 840
NOVI TAHOGENERATOR (ELTEK) 87 ± 12 % 0,1 490
Če pogledamo poglavje 2.3, v katerem sta opisana indukcijski zakon in del o
elektromagnetni indukciji, vidimo, da je velikost inducirane napetosti sorazmerna s
številom ovojev. Tako lahko prikazane mehanske spremembe vplivajo na delovanje
celotne zanke stabilnosti. O tem, kakšne so spremembe v delovanju, bomo več povedali v
naslednjem poglavju, rezultate pa podkrepili z meritvami.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 33
4B3 MERITVE USTREZNOSTI DELOVANJA NOVEGA
TAHOMETRIČNEGA GENERATORJA
Iz vsega opisanega je vidno, kako pomembno vlogo za delovanje ima tahometrični
generator. Da bi se lahko izvedla zamenjava, smo na komponenti morali opraviti meritve in
primerjave, ki so pokazale celotno sliko ustreznosti delovanja.
Meritve temeljijo na interni definiciji podjetja Gorenje, ki ja nastala na osnovi
dolgoletnih izkušenj in zahtevah kupcev.
Primerjava karakteristik delovanja je izhajala iz dejstva, da je (kot je iz imena razvidno)
komponenta generator, ki z večanjem hitrosti vrtenja proizvaja sinusno napetost višje
amplitude in frekvence. Z meritvijo smo lahko določili karakteristiko delovanja novega
tahometričnega generatorja in jo primerjali s karakteristiko dosedanjega tahometričnega
generatorja.
V zanki stabilnosti je opazno, da se sinusni signal spremeni v pravokotno obliko, ki je
primernejša za mikrokrmilnik, vendar ima tudi ta še dovoljeni minimalni prag napetosti na
vhodni nogici za signal iz »TAHO« vezja za ustrezno delovanje. Določiti je bilo treba tisto
skrajno minimalno točko (najnižji vrtljaji, ki lahko nastanejo pri pranju), ki še ustreza za
normalno delovanje.
Če pogledamo definirani algoritem merjenja ekscentra, vidimo, da je bilo zahtevano, da
naj bi tudi novi tahometrični generator pravilno deloval po njem. Torej se je tu uporabila
podobna metoda kot pri definiciji, le da so zdaj rezultati mej redukcij že bili določeni in jih
je bilo treba preveriti.
V poštev je prišla tudi splošna metoda za preverjanje stabilnega delovanja pralnega
stroja, imenovana »univerzalna kontrola stabilnosti«, pri kateri se uporabi preizkusno perilo
določene teže in kosov, z njim pa se opravi več meritev, da se dobi neka povprečna ocena
stabilnega delovanja glede na velikost povprečne hitrosti vrtenja.
34 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
3.1 Primerjava karakteristik delovanja tahometri čnih generatorjev
Najprej je bilo treba izmeriti karakteristiko delovanja dosedanjega in novega
tahometričnega generatorja. Tukaj nas zanima, kako se velikost napetosti spreminja v
odvisnosti od števila vrtljajev. S pomočjo vezalne sheme (sl. 3.1) smo elektromotor
neposredno vezali na vir izmenične napetosti, ki je imel možnost spreminjanja amplitude
napetosti, univerzalni merilnik pa smo vezali na priključke tahometričnega generatorja. Na
vezalni shemi so prikazani glavni konektor na univerzalnem elektromotorju in vezave
posameznih nogic konektorja.
S spreminjanjem napetosti na viru smo lahko spreminjali hitrost vrtenja elektromotorja
in zato tudi hitrost vrtenja tahometričnega generatorja (saj je njegov rotor povezan z osjo
rotorja elektromotorja). Ker smo želeli meriti napetosti pri določenih hitrostih vrtenja, smo
si pomagali z merilnikom vrtljajev, s katerim smo merili hitrost vrtenja rotorja
tahometričnega generatorja. Napetost vira smo nastavili tako, da smo dobili želeno hitrost
vrtenja. Pri določeni hitrosti vrtenja smo nato odčitali napetost na merilniku, ki je meril
izhodno napetost tahometričnega generatorja. Meritve smo opravili za novi in dosedanji
tahometrični generator (sl. 3.1).
Slika 3.1: Vezalna shema merjenja karakteristike tahometričnega generatorja
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 35
Tabela 3.1: Napetosti v odvisnosti od hitrosti vrtenja na dosedanjem in novem (ELTEK)
tahometričnem generatorju
Normal Eltek
št. obr. [obr./min] Ut [V] Ut [V]
1000 3.02 1.98
2000 6.12 3.67
3000 9.07 5.28
4000 11.89 6.88
5000 14.68 8.43
6000 17.43 9.60
7000 20.08 11.16
8000 22.67 12.57
9000 25.25 13.56
10000 27.85 15.05
11000 30.22 16.22
12000 32.48 17.32
13000 34.93 18.40
14000 37.12 19.40
15000 39.50 20.42
16000 41.65 21.20
17000 43.92 22.80
18000 46.20 23.60
36 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Meritve so oblikovale karakteristiko (sl. 3.2), iz katere je razvidno, da novi
tahometrični generator proizvaja nižjo napetost pri enaki hitrosti vrtenja, kar je posledica v
prejšnjem poglavju opisanega indukcijskega zakona (2.3) in prej prikazanih različnih
specifikacij, kot sta tanjša žica in manjše število ovojev (tabela 2.5).
Slika 3.2: Karakteristika trenutnega in novega (ELTEK) tahometričnega generatorja
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
1000
0
1100
0
1200
0
1300
0
1400
0
1500
0
1600
0
1700
0
1800
0
v/min
U(V
) normal
Eltek
obr./min.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 37
3.2 Merjenje izhodne napetosti pri minimalni hitros ti vrtenja
Ker elektronika pralnega stroja ni spremenjena, bi lahko pri manjši hitrosti vrtenja
nastal problem zaradi prenizke napetosti, ki jo elektronika še potrebuje za pravilno
delovanje »zanke«.
Do najmanjše hitrosti vrtenja elektromotorja pride pri delovanju v programu volna.
Program v fazi mencanja perila vrti pralni boben s 30 obrati na minuto. Kot smo omenili v
poglavju o sestavi pralnega stroja, prenos iz elektromotorja na pralni boben poteka s
pomočjo jermenice in gumijastega jermena. Premer osi elektromotorja je v primerjavi s
premerom jermenice na osi pralnega bobna veliko manjši. In sicer:
mmd jermenice 320=
mmdmotorja 3,15=
Ker ima tudi jermen neko debelino, so točnejše vrednosti prestavnega razmerja:
75,1913,15
2320 =++==
mm
mm
d
dp
motorja
jermenice (3.1)
To pomeni, da se pri mencanju s hitrostjo 30 obratov na minuto pralnega bobna elektromotor
vrti s približno 600 obr./min.
obr./min 5.5923075,19 =⋅=motorjaN (3.2)
Za pravilno delovanje elektronike in pralnega stroja je potrebna napetost vsaj
U = 1,6 Vpp.
Pri vrtenju s 600 obr./min smo izmerili napetost U = 2,8 Vpp, kar pomeni, da novi
tahogenerator zadosti potrebi po najnižji napetosti pravilnega delovanje zanke.
38 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
3.3 Merjenje ekscentra pralnega bobna
S pomočjo za to izdelanega programa smo opravili še primerjalno meritev merjenja
ekscentra. Na izhodne priključke tahogeneratorja na elektroniki smo priklopili vmesnik
proizvajalca elektronike, ki skrbi za pretvorbo signala in delovanje programa. Tudi
elektronika je predhodno programirana za to meritev. Tako pralni stroj konstantno zaganja
centrifugo in meri ekscenter, katerega vrednost se pošilja na vmesnik in beleži na osebnem
računalniku. Zaradi boljše primerjave smo meritve opravili na dveh vzorcih – za vsakega
od tahometričnih generatorjev. Izmerjeno vrednost, kakršno poda elektronika, vmesnik
proizvajalca INVENSYS pretvori v za računalnik primerno obliko. Vrednost, ki jo izmeri
programska oprema, je namenjena zgolj oceni in primerjavi ekscentrov. Višja izmerjena
vrednost pomeni višji ekscenter pralnega bobna.
Po obteževanju pralnega bobna z določenimi utežmi, tako na elektromotorju s
dosedanjim kot na elektromotorju z novim tahogeneratorjem, smo dobili primerjavo
ekscentra (tabeli 3.2 in 3.3).
Iz rezultatov je vidno, da so razlike med povprečnimi vrednostmi meritev vzorcev z
istim tahometričnim generatorjem večje kot pa razlike med povprečnimi vrednostmi
meritev vzorcev novega in dosedanjega tahogeneratorja pri enaki obtežitvi. Se pravi, da je
v tej točki ELTEK tahogenerator pokazal ustrezno delovanje in minimalno odstopanje pri
merjenju ekscentra glede na dosedanji tahometrični generator.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 39
Tabela 3.2: Merjenje ekscentra na univerzalnem elektromotorju SELNI W28 z dosedanjim
tahometričnim generatorjem
Tabela 3.3: Merjenje ekscentra na univerzalnem elektromotorju SELNI W28 z ELTEK
tahometričnim generatorjem
40 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
3.4 Preizkus stabilnosti
Pred preizkusom stabilnosti je želen merilni vzorec treba sestaviti. Obstaja namreč več
proizvajalcev elektronik oz. krmilnih enot, elektromotorjev, črpalk itd. Pri elektromotorjih
pa tudi več različnih modelov vsakega od proizvajalcev. Stroju vgradijo ustrezen motor (v
našem primeru univerzalni SELNI-jev elektromotor), ustrezno elektroniko (meritve smo
izvajali na oz. s pomočjo INVENSYS-ove elektronike). Elektronike pralnih strojev so
izdelane univerzalno, v smislu prilagajanja največje hitrosti vrtenja elektromotorja,
doziranja vode itd. Delovanje jim določimo s pomočjo lomljivih nogic, ki nato pri različnih
kombinacijah določajo prej omenjene parametre.
Stroji se med delovanjem, ko so postavljeni na ustrezna tla in v ravnovesno lego, po
standardu ne smejo premikati, saj bi drugače lahko poškodovali stvari v prostoru oz.
prostor, v katerem delujejo. Zato v Gorenju izvajajo preizkuse stabilnosti za različne
kombinacije komponent ali različne modele pralnih strojev. Vsakršna sprememba na
konstrukciji stroja oz. sprememba komponente elektronike zahteva preizkus stabilnosti, s
katerim se zagotovi, da stroj deluje brez premikov.
Ko je merilni vzorec ustrezno sestavljen, ga je treba postaviti na očiščena tla
(keramične ploščice) in s pomočjo vodne tehtnice v ravnovesno lego. Ker tla nikoli niso
popolnoma ravna, si pri tem pomagamo z vijačnimi nogicami, na katerih pralni stroj stoji,
in tako določamo višino vsakega kota (ohišja) posebej.
Pred začetkom preizkusa stabilnosti je dobro zagnati preizkusni program, ki preveri
pravilno delovanje komponent, in med preizkusno centrifugo izmeriti hitrost vrtenja
pralnega bobna.
Stroj je treba napolniti s perilom, točno določenih tež in kosov (tabela 3.4), za vsako od
polnitev pa je treba opraviti 10 meritev, saj se pri vsaki meritvi oz. ciklu izpiranja perilo
malo drugače razporedi in so zato pogoji delovanja drugačni. Ekscenter pralnega bobna je
različen.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 41
Tabela 3.4: Polnitev za opravljanje preizkusa stabilnosti
Po polnitvah »korakamo« vse do nazivne (maksimalne) polnitve, za katero je izdelan
določen merilni vzorec (pralni stroj), meritve pa vpisujemo v za to pripravljeno tabelo
(priloga 6.2).
Pred vsako od meritev je treba perilo omočiti s pomočjo za to določenega programa in
nato vklopiti program izpiranja. V tem programu pralni stroj doseže najvišjo hitrost
vrtenja. Predhodno zadnjo steno pralnega stroja odstranimo, da sta os in jermenica pralnega
bobna dostopni.
Pri merjenju hitrosti vrtenja pralnih strojev smo uporabljali merilnik vrtljajev ali
tahometer. Naprava omogoča kontaktno in foto merjenje. Prvi način je takšen, da os
merilnika pritisnemo na os pralnega bobna, ki jo vzporedno začne vrteti s hitrostjo, ki jo
dosega sam, na prikazovalniku pa se izpiše vrednost. Pri foto merjenju pa je treba na
jermenico namestiti odsevnik svetlobe, ki nato prekinja vir svetlobe, ki ga ustvarja
merilnik, in tako izmeri število vrtljajev, vrednost pa izpiše na prikazovalniku.
42 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
Rezultati meritev stabilnosti s preizkusnim perilom so dani v prilogi 6.3.
Med delovanjem je treba stroj spremljati in opaziti morebitne premike (spremembo
položaja) ali kakršnokoli »nenormalno« delovanje.
Naslednja točka merjenja stabilnosti je metoda »iskanja mej redukcij« (tabela 3.5).
Meritve potekajo podobno, le da v tem primeru pralni boben točkovno in postopno
obremenjujemo s pomočjo temu namenjenih (gumijastih) uteži in pri vsaki obremenitvi
izmerimo največjo hitrost vrtenja. Tako dosežemo (pri neki uteži) konstantno oz.
ponovljivo vrednost ekscentra (glej tudi točko 2.5).
Tako vidimo stopničasto reduciranje vrtljajev ob povečevanju točkovnega bremena.
Breme povečujemo tako dolgo, dokler ne doseže vrednosti, ko se pralni boben ne zavrti
več (no spin).
Vse te meje določa program elektronike, ki pri nekem izmerjenem ekscentru (s
pomočjo tahogeneratorja) dovoli določeno maksimalno število vrtljajev oz. pri prevelikem
sploh ne dovoli vrtenja.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 43
Tabela 3.5: Primerjalna tabela izmerjenih mej redukcij
Meje reduciranja se torej ne razlikujejo glede na dosedanji tahometrični generator.
Pralni stroj je deloval po definiciji, ki je predvidena.
Za pralni stroj je zahtevano, da v povprečju dosega nazivno hitrost vrtenja ±100 število
obr./min. Ker tudi pri meritvi s preizkusnim perilom ni prihajalo do premikov med
izpiranjem, povprečna vrednost 10 meritev pa je podala vrednosti v mejah omenjene
tolerance, je pralni stroj z novim tahometričnim generatorjem pokazal ustrezno delovanje
tudi v tej pomembni točki (priloga 6.3).
44 Ambrož Podkoritnik, Diplomsko delo
5B4 SKLEP
Moderni pralni stroji so zaradi razvoja vse bolj optimizirani. Tehnološki napredki v
elektroniki in sodobnejših načinih reguliranja elektromotorjev so ponudili preprostejše,
predvsem pa cenejše strojne konstrukcije. Ker razvoj in ekonomski cilji težijo k večni
optimizaciji, se ta dotakne tudi elektronskih komponent, ki skrbijo za pravilno delovanje
pralnega stroja. Omenili smo že, da je tahometrični generator pomemben gradnik in vsak
pralni stroj vsebuje enega. Zato je pri proizvodnji velike serije pomembno, da je takšna
komponenta ustrezno preizkušena za ustrezno delovanje in tudi visoko zanesljivost.
Z meritvami ustreznega delovanja, ki so bile vezane na meritve hitrosti vrtenja pod
določenimi oz. ponovljivimi pogoji, saj smo le tako lahko dobili rezultate, ki jih je bilo
mogoče primerjati s predhodnimi, takrat ko je bila v pralni stroj vgrajena druga
komponenta, je bila potrjena tehnična ustreznost za zamenjavo.
Želja preizkušanja je bila, da bi pralni stroj z novejšim tahometričnim generatorjem
pod določenimi pogoji deloval enako kot pralni stroj z dosedanjim tahometričnim
generatorjem. Lahko bi rekli tudi, da je moral novi tahometrični generator pošiljati pri
enakih pogojih enake informacije v mikrokrmilnik elektronike. Preizkusi in meritve so to
potrdili kljub različnim fizičnim lastnostim in različni karakteristiki delovanja dosedanje in
nove komponente. Rezultati bi lahko bili neustrezni, kar pa bi pomenilo dvom glede
smiselnosti nakupa velike serije elektromotorjev z novimi tahometričnimi generatorji.
Opcijske rešitve bi lahko bile v spremembah in popravkih programa za delovanje pralnega
stroja, vendar je to že drug način reševanja problema.
V velikem sistemu je za zamenjavo neke komponente potrebnega ogromno časa in
vloženega dela, saj vse poteka po nekem predlaganem in določenem vzorcu, ki zahteva
ustrezna poročila in potrditveno dokumentacijo, velikokrat pa tudi dogovarjanja s
proizvajalci in njihovim razvojnim osebjem. Kot smo omenili, bi »idealni« pralni stroj že
obstajal, a se na tem mestu pojavi prepletanje ekonomskih ciljev, konkurence in omejenih
denarnih virov, ki vodijo v zahtevne optimizacije in odpirajo večno pot razvoju in
pocenitvam.
Uvedba novega tahometričnega generatorja na elektromotorjih pralnih strojev 45
6B5 VIRI, LITERATURA
[1] Hhttp://en.wikipedia.org/wiki/Washing_machine
[2] France Avčin, Peter Jereb, Preizkušanje električnih strojev in njihove lastnosti, Tehniška
založba Slovenije, Ljubljana, 1973.
[3] Jakob Koželjnik, Dalibor Petrinjak, Definition of unbalance measuring and spin profile
for PG1 … PG3; First edition, Gorenje, d. d., Razvoj PPA, Velenje, 13. 1. 2004.
[4] Rudolf HKladnik, HFizika za srednješolce. 3; Svet elektronov in atomov, DZS, Ljubljana,
1995.
[5] Horst Rohlfing, Harry Schmidt, Friedrich, Priročnik za elektrotehniko in elektroniko,
Tehniška založba Slovenije 1995.