Τίτλος Άσκησης: «Πώς ένα μικρό σήμα ελέγχει μια μεγάλη ηλεκτρική ισχύ;» Διερεύνηση ηλεκτρονόμων, μπουτόν, ενδεικτικών λυχνιών και θερμικών προστασίας Κεντρικό πρόβλημα Στο εργαστήριο υπάρχει ένας τριφασικός κινητήρας που πρέπει: • να ξεκινά με πράσινο μπουτόν START, • να σταματά με κόκκινο μπουτόν STOP, • να ελέγχεται από ασφαλή απόσταση, • να εμφανίζει ένδειξη λειτουργίας, • να σταματά αυτόματα σε περίπτωση υπερφόρτισης, • να εμφανίζει ξεχωριστή ένδειξη βλάβης. Οι μαθητές καλούνται να απαντήσουν: Πώς μπορούμε να ελέγξουμε με ασφάλεια έναν κινητήρα μεγάλης ισχύος, χωρίς το μεγάλο ρεύμα του κινητήρα να περνά από τα μπουτόν χειρισμού; Δεν δίνεται αμέσως έτοιμη συνδεσμολογία. Κάθε ομάδα πρέπει να εξετάσει τα υλικά, να διατυπώσει υποθέσεις και να τεκμηριώσει τη λύση της. Αρχικό ερέθισμα – «Το μπουτόν που κάηκε» Ο εκπαιδευτικός παρουσιάζει: • έναν τριφασικό κινητήρα, • ένα μικρό πράσινο μπουτόν, • έναν ηλεκτρονόμο, • ένα θερμικό, • δύο ενδεικτικές λυχνίες. Θέτει την ερώτηση: Μπορούμε να συνδέσουμε τον κινητήρα απευθείας στο μικρό μπουτόν; Οι ομάδες καταγράφουν την πρώτη τους άποψη: Οι απαντήσεις δεν διορθώνονται ακόμη. Οργάνωση σε διερευνητικούς σταθμούς Σταθμός 1: Αναγνώριση άγνωστου εξοπλισμού Κάθε ομάδα παραλαμβάνει, χωρίς ονομασίες: • έναν ηλεκτρονόμο, • ένα βοηθητικό ρελέ, • μπουτόν START, • μπουτόν STOP, • θερμικό, • πράσινη λυχνία, • κόκκινη λυχνία. Αποστολή Οι μαθητές: • Παρατηρούν τις επιγραφές. • Εντοπίζουν τους ακροδέκτες. • Φωτογραφίζουν κάθε υλικό. • Καταγράφουν τι πιστεύουν ότι κάνει. Ταξινομούν τα υλικά σε: • εντολές, • ενεργοποιητές, • προστασία, • ενδείξεις. Διερευνητική ερώτηση 1: Τι μπορεί να σημαίνουν τα A1–A2; Διερευνητική ερώτηση 2: Γιατί οι ακροδέκτες L1–L2–L3 βρίσκονται απέναντι από τους T1–T2–T3; Διερευνητική ερώτηση 3: Τι δηλώνουν οι αριθμοί 13–14 και 21–22; Διερευνητική ερώτηση 4: Ποια υλικά έχουν χειροκίνητη ενέργεια; Διερευνητική ερώτηση 5: Ποια μπορούν να αλλάξουν κατάσταση χωρίς να τα αγγίξουμε; Σταθμός 2: Ποια επαφή είναι NO και ποια NC; Οι μαθητές χρησιμοποιούν πολύμετρο στη λειτουργία συνέχειας, με όλα τα υλικά εκτός τάσης. Διαδικασία • Ελέγχουν το START χωρίς να το πιέζουν. • Ελέγχουν το START ενώ το πιέζουν. • Επαναλαμβάνουν για το STOP. • Ελέγχουν τις βοηθητικές επαφές του ηλεκτρονόμου. • Καταγράφουν τα αποτελέσματα. Κρίσιμη ερώτηση Οι όροι «κανονικά ανοικτή» και «κανονικά κλειστή» αναφέρονται στη λειτουργία του μηχανήματος ή στην κατάσταση ηρεμίας του εξαρτήματος; Αναμενόμενο συμπέρασμα: αναφέρονται στην κατάσταση ηρεμίας, χωρίς μηχανική ή ηλεκτρική ενεργοποίηση. Σταθμός 3: Ο ηλεκτρονόμος αποκαλύπτει τη λειτουργία του Χρησιμοποιείται κατάλληλη απομονωμένη εκπαιδευτική τάση χειρισμού, κατά προτίμηση 24 V. Πρόβλεψη πριν από τη δοκιμή Οι μαθητές προβλέπουν: • Τι θα συμβεί όταν τροφοδοτηθούν τα A1–A2; • Θα υπάρξει ηλεκτρική σύνδεση του πηνίου με τις κύριες επαφές; • Ποιες επαφές θα κλείσουν; • Ποιες επαφές θα ανοίξουν; • Τι θα συμβεί όταν αφαιρεθεί η τάση; Πείραμα Οι μαθητές: • Ελέγχουν την ονομαστική τάση του πηνίου. • Μετρούν, όπου είναι κατάλληλο, την αντίσταση του πηνίου. • Τροφοδοτούν τα A1–A2 με την προβλεπόμενη τάση. • Παρατηρούν την κίνηση του οπλισμού. • Ακούν τον χαρακτηριστικό ήχο ενεργοποίησης. • Ελέγχουν με πολύμετρο τις κύριες και βοηθητικές επαφές. • Διακόπτουν την τροφοδοσία και ελέγχουν την επαναφορά. Συμπέρασμα που πρέπει να ανακαλύψουν: Το πηνίο και οι επαφές είναι ηλεκτρικά ανεξάρτητα, αλλά συνδέονται μηχανικά μέσω του κινούμενου οπλισμού. Σταθμός 4: Γιατί το START είναι NO και το STOP NC; Οι ομάδες καλούνται να επιλέξουν μεταξύ δύο λύσεων: • Λύση Α: START NO και STOP NC. • Λύση Β: START NC και STOP NO. Δοκιμή ασφάλειας Ο εκπαιδευτικός ζητά από τους μαθητές να εξετάσουν τι θα συμβεί αν: • κοπεί ένας αγωγός του START, • κοπεί ένας αγωγός του STOP, • χαλαρώσει ένας ακροδέκτης, • διακοπεί η τροφοδοσία χειρισμού. Κρίσιμη ερώτηση Σε ποια συνδεσμολογία η διακοπή του αγωγού STOP γίνεται αντιληπτή ως εντολή διακοπής; Αναμενόμενο συμπέρασμα: Το STOP χρησιμοποιείται ως NC, ώστε μια διακοπή αγωγού, μια χαλαρή σύνδεση ή η ενεργοποίηση του μπουτόν να ανοίγει το κύκλωμα του πηνίου. Πρόκειται για ασφαλέστερη λογική. Η πρόκληση της αυτοσυγκράτησης Ο εκπαιδευτικός δίνει μόνο τα παρακάτω υλικά: • START NO, • STOP NC, • πηνίο ηλεκτρονόμο KM1, • βοηθητική επαφή KM1 13–14, • τροφοδοσία χειρισμού Πρόβλημα Ο ηλεκτρονόμος λειτουργεί μόνο όσο κρατάμε πατημένο το START. Πώς μπορεί να παραμένει ενεργοποιημένος όταν αφήσουμε το μπουτόν; Οι ομάδες σχεδιάζουν διαφορετικές λύσεις και τις δοκιμάζουν σε ασφαλή εκπαιδευτική τάση. Διερευνητική ερώτηση 6: Ποια επαφή αλλάζει κατάσταση όταν ενεργοποιείται ο KM1; Διερευνητική ερώτηση 7: Μπορεί η 13–14 να δημιουργήσει δεύτερη διαδρομή ρεύματος; Διερευνητική ερώτηση 8: Πρέπει να συνδεθεί σε σειρά ή παράλληλα με το START; Διερευνητική ερώτηση 9: Πώς θα σταματήσει μετά ο ηλεκτρονόμος; Διερευνητική ερώτηση 10: Τι συμβαίνει μετά από διακοπή και επαναφορά της τάσης; Αναμενόμενη λογική Η βοηθητική επαφή 13–14 συνδέεται παράλληλα με το START και δημιουργεί αυτοσυγκράτηση. Διερεύνηση ενδεικτικών λυχνιών Οι μαθητές έχουν: • πράσινη λυχνία «ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΣΕ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ», • κόκκινη λυχνία «ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗ», • βοηθητική επαφή KM1, • επαφές θερμικού 95–96 και 97–98. Αποστολή Να αποφασίσουν: • Ποια λυχνία πρέπει να ελέγχεται από τον ηλεκτρονόμο; • Ποια πρέπει να ελέγχεται από το θερμικό; • Πρέπει να χρησιμοποιηθεί NO ή NC επαφή; • Θα ανάβει η πράσινη λυχνία όταν ενεργοποιείται μόνο το πηνίο ή όταν πράγματι κλείνει ο ηλεκτρονόμος; Πίνακας λειτουργίας Το θερμικό στο μικροσκόπιο Αρχική υπόθεση Το θερμικό προστατεύει τον κινητήρα και από υπερφόρτιση και από βραχυκύκλωμα. Οι μαθητές δηλώνουν εάν συμφωνούν και αιτιολογούν. Διερεύνηση Οι ομάδες εξετάζουν: • τις τρεις διαδρομές ισχύος L1–T1, L2–T2, L3–T3, • την επαφή 95–96, • την επαφή 97–98, • τη ρύθμιση ρεύματος, • το πλήκτρο TEST, • το πλήκτρο RESET, • την επιλογή χειροκίνητης ή αυτόματης επαναφοράς, εφόσον υπάρχει. Διερευνητική ερώτηση 11: Γιατί το ρεύμα του κινητήρα περνά μέσα από το θερμικό; Διερευνητική ερώτηση 12: Γιατί η επαφή 95–96 συνδέεται σε σειρά με το πηνίο; Διερευνητική ερώτηση 13: Γιατί η 97–98 είναι κατάλληλη για συναγερμό; Διερευνητική ερώτηση 14: Γιατί το θερμικό δεν διακόπτει μόνο του τις κύριες επαφές ισχύος; Διερευνητική ερώτηση 15: Γιατί δεν πρέπει να γίνεται άμεση επαναφορά χωρίς έλεγχο; Διερευνητική ερώτηση 16: Τι θα συμβεί αν το θερμικό ρυθμιστεί πολύ ψηλά; Διερευνητική ερώτηση 17: Τι θα συμβεί αν ρυθμιστεί πολύ χαμηλά; Αναμενόμενο συμπέρασμα Το θερμικό προστατεύει κυρίως από παρατεταμένη υπερφόρτιση και, ανάλογα με τον τύπο, από απώλεια φάσης. Δεν αποτελεί προστασία βραχυκυκλώματος. Για το βραχυκύκλωμα απαιτείται κατάλληλη ασφάλεια, μικροαυτόματος ή διάταξη προστασίας κινητήρα. Σενάρια «Τι θα συμβεί αν…» Κάθε ομάδα παραλαμβάνει μία κάρτα σεναρίου. Σενάριο 1 Το πηνίο αναγράφει 24 V DC αλλά συνδέεται σε διαφορετική τάση ή είδος ρεύματος. Ερωτήσεις : • Θα λειτουργήσει σωστά; • Ποιος είναι ο κίνδυνος; • Ποιος έλεγχος έπρεπε να προηγηθεί; Σενάριο 2 Το START παραμένει πατημένο και ταυτόχρονα πιέζεται το STOP. Ερωτήσεις: • Ποια εντολή πρέπει να έχει προτεραιότητα; • Πού πρέπει να βρίσκεται το STOP στο κύκλωμα; Σενάριο 3 Ο κινητήρας μπλοκάρει μηχανικά. Ερωτήσεις: • Πώς μεταβάλλεται το ρεύμα; • Ποιο στοιχείο αντιλαμβάνεται την κατάσταση; • Γιατί η διακοπή δεν είναι στιγμιαία; Σενάριο 4 Κόβεται ο αγωγός της επαφής 95–96. Ερωτήσεις: • Μπορεί να ενεργοποιηθεί ο κινητήρας; • Είναι αυτό ασφαλές ή επικίνδυνο; Σενάριο 5 Η επαφή 97–98 έχει συνδεθεί σε σειρά με το πηνίο. Ερωτήσεις : • Θα λειτουργήσει κανονικά το κύκλωμα; • Ποιος είναι ο σωστός ρόλος της επαφής; Κρυφές βλάβες Ο εκπαιδευτικός εισάγει σε κάθε ομάδα μία άγνωστη βλάβη: • Διακοπή του αγωγού προς το STOP. • START με επαφή NC αντί για NO. • Αντιστροφή χρήσης των 95–96 και 97–98. • Απουσία γεφύρωσης αυτοσυγκράτησης. • Η 13–14 συνδεδεμένη σε σειρά αντί παράλληλα με το START. • Λάθος τάση πηνίου. • Χαλαρός ακροδέκτης A1 ή A2. • Κολλημένη κύρια επαφή ηλεκτρονόμου. • Λανθασμένη ρύθμιση θερμικού. • Απουσία μίας φάσης. • Λυχνία λανθασμένης ονομαστικής τάσης. • Παράκαμψη της επαφής 95–96. • Μόνιμα πατημένο START. • Επαφή αυτοσυγκράτησης από διαφορετικό ηλεκτρονόμο. • Κόκκινη και πράσινη λυχνία αντιμετατεθειμένες. Πρωτόκολλο διάγνωσης Οι μαθητές δεν αλλάζουν αμέσως συνδέσεις. Ακολουθούν: • Παρατήρηση συμπτώματος. • Απομόνωση τροφοδοσίας. • Επιβεβαίωση απουσίας τάσης. • Έλεγχος σχεδίου. • Έλεγχος συνέχειας. • Εντοπισμός πιθανής αιτίας. • Τεκμηρίωση της βλάβης. • Διόρθωση μετά από έγκριση του εκπαιδευτικού. • Επαναδοκιμή. • Καταγραφή τελικού αποτελέσματος. Φύλλο διερεύνησης μαθητών Α. Παρατήρηση Ποια στοιχεία διαθέτει ο πάγκος; Ποια είναι η ονομαστική τάση του πηνίου; Πόσες κύριες επαφές έχει ο επαφέας; Ποιες βοηθητικές επαφές εντοπίσατε; Β. Υπόθεση Πώς πιστεύετε ότι λειτουργεί ο επαφέας; Πώς θα διατηρηθεί ενεργοποιημένος μετά την απελευθέρωση του START; Πώς θα σταματήσει ο κινητήρας σε υπερφόρτιση; Γ. Πείραμα Ποιες μετρήσεις πραγματοποιήσατε; Ποια επαφή άλλαξε κατάσταση; Επιβεβαιώθηκε η πρόβλεψή σας; Δ. Ερμηνεία Γιατί το κύκλωμα χειρισμού είναι ανεξάρτητο από το κύκλωμα ισχύος; Γιατί χρησιμοποιούμε επαφέα αντί για απλό διακόπτη; Γιατί το STOP είναι NC; Ποια είναι η διαφορά των 95–96 και 97–98; Ε. Συμπέρασμα Κάθε ομάδα συντάσσει τεχνικό συμπέρασμα 100–150 λέξεων που περιλαμβάνει: • τον ρόλο του επαφέα, • τη λειτουργία START–STOP, • την αυτοσυγκράτηση, • τον ρόλο του θερμικού, • τη λειτουργία των λυχνιών, • έναν βασικό κανόνα ασφαλείας. Κανόνες ασφαλείας • Όλες οι αρχικές αναγνωρίσεις γίνονται εκτός τάσης. • Πριν από αλλαγή συνδεσμολογίας εφαρμόζεται απομόνωση. • Επιβεβαιώνεται η απουσία τάσης με κατάλληλο όργανο. • Ελέγχεται πάντα η ονομαστική τάση του πηνίου και των λυχνιών. • Οι δοκιμές χειρισμού πραγματοποιούνται κατά προτίμηση με απομονωμένη τάση 24 V. • Δεν πιέζεται χειροκίνητα ο μηχανισμός του ηλεκτρονόμου υπό φορτίο. • Δεν παρακάμπτεται η επαφή 95–96. • Δεν γίνεται RESET θερμικού πριν εντοπιστεί η αιτία της υπερφόρτισης. • Η ηλεκτροδότηση επιτρέπεται μόνο μετά από έγκριση του εκπαιδευτικού. • Οι μαθητές δεν εργάζονται σε εκτεθειμένα ενεργά μέρη. Αξιολόγηση ομάδων

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΙΚΩΝ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΩΝ

Μαθησιακοί στόχοι Με την ολοκλήρωση του μαθήματος οι μαθητές θα μπορούν: Γνώσεις  Να εξηγούν τη διαφορά κυκλώματος ισχύος και κυκλώματος χειρισμού.  Να περιγράφουν τη λειτουργία του ηλεκτρομαγνητικού ηλεκτρονόμου.  Να διακρίνουν επαφές NO και NC στην κατάσταση ηρεμίας.  Να εξηγούν τη λειτουργία των μπουτόν START και STOP.  Να περιγράφουν τον ρόλο των επαφών 95–96 και 97–98 του θερμικού.  Να διακρίνουν την υπερφόρτιση από το βραχυκύκλωμα.  Να αιτιολογούν γιατί το θερμικό δεν αντικαθιστά την προστασία βραχυκυκλώματος. Δεξιότητες  Να αναγνωρίζουν ακροδέκτες πηνίου, κύριων και βοηθητικών επαφών.  Να χρησιμοποιούν πολύμετρο για έλεγχο συνέχειας.  Να εντοπίζουν πότε μια επαφή αλλάζει κατάσταση.  Να σχεδιάζουν απλό κύκλωμα START–STOP.  Να επιλέγουν κατάλληλη τάση πηνίου.  Να ρυθμίζουν το θερμικό σύμφωνα με το ονομαστικό ρεύμα του κινητήρα.  Να εντοπίζουν σφάλματα και κρυφές βλάβες. Στάσεις  Να μην πραγματοποιούν σύνδεση μόνο από το χρώμα ή την εμφάνιση.  Να ελέγχουν πάντα την ονομαστική τάση ενός πηνίου.  Να θεωρούν το STOP και την προστασία ως βασικές λειτουργίες ασφάλειας.  Να συνεργάζονται και να τεκμηριώνουν τις τεχνικές τους αποφάσεις.