UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA …Pralni stroj zaradi u činkovitosti pranja vrti pralni boben z...

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


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


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


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


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.


Slika 2.3: Notranjost pralnega stroja


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


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


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)


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).


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


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


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)


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).


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


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.


Slika 2.10: Tahometrični generator


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


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.


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


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


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


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


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


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.


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.


Tabela 2.3: Algoritem merjenja ekscentra (1. in 2. tretjina)


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),


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),


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).


Tabela 2.4: Algoritem merjenja ekscentra (zadnja tretjina)


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


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.


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.


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


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


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.


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.


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.


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


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.


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.


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.


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).


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.


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.

UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA …Pralni stroj zaradi u činkovitosti pranja vrti pralni boben z...

Documents

Transcript of UVEDBA NOVEGA TAHOMETRI ČNEGA …Pralni stroj zaradi u činkovitosti pranja vrti pralni boben z...