Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
1. Основные положения ТМАЖДС.DOC
Скачиваний:
237
Добавлен:
09.04.2015
Размер:
4.7 Mб
Скачать

3. Исполнительные устройства

Исполнительные устройства предназначены для непосредственного воздействия на управляемый объект или его органы управления.

Исполнительные устройства, применяемые в системах автоматики, очень разнообразны. По физической природе они делятся на электрические, гидравлические, пневматические, механические и комбинированные.

По конструкции различают электродвигательные, электронные, электромагнитные, поршневые, мембранные и комбинированные исполнительные устройства.

Управление исполнительными устройствами осуществляется, как правило, через усилители мощности. Помимо того, непосредственно к исполнительному устройству может подводиться энергия от дополнительного источника.

Исполнительные устройства должны удовлетворять следующим требованиям:

- их мощность должна превосходить мощность, необходимую для приведения в движение объекта управления или его органов во всех режимах работы;

- статические характеристики исполнительных устройств должны быть, по возможности, линейными и иметь минимальную зону нечувствительности, т.е. такую зону, в пределах которой изменения управляющего сигнала не вызывают перемещение управляемого органа;

- достаточное быстродействие;

- простота и экономичность регулирования выходной величины;

- малая потребляемая мощность.

В качестве исполнительных устройств в системах автоматики в основном применяются электромагнитные реле, электромагниты, электродвигатели постоянного тока, двухфазные электродвигатели переменного тока, электромагнитные муфты, мембранные и поршневые, гидравлические и пневматические двигатели.

Широкое распространение получили электрические исполнительные устройства, т.е. устройства, преобразующие энергию электрического тока в механическую энергию с целью воздействия на объект управления.

Электрические исполнительные устройства делятся на электромагнитные и электродвигательные. К электромагнитным устройствам относятся реле, контакторы, электромагниты, электромагнитные вентили и клапаны, электромагнитные муфты, а к электродвигательным - двигатели постоянного и переменного тока и шаговые (импульсные).

Электромагнитные исполнительные устройства, основным элементом которых является электромагнитный привод, как правило, используются для поступательного перемещения органов управления, а электрические двигатели – для поворотного [4].

Электрические исполнительные устройства. Электродвигатели. Наиболь­шее распространение получили двигатели постоянного тока с независимым возбуж­дением и асинхронные двигатели (пере­менного тока) с короткозамкнутым рото­ром, которые по своим эксплуатационным качествам превосходят двигатели постоян­ного тока. Тем не менее двигатели постоян­ного тока, обладая высокими пускорегу­лирующими свойствами, находят широ­кое применение в специальных системах автоматики.

Рис. 21. Схемы управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением

Рассмотрим две характерные схемы управления исполнительными двигателя­ми постоянного тока с независимым воз­буждением. В первой схеме (рис. 21, а) обмотка возбуждения подключена к источ­нику питания с постоянным напряжением UВ, а якорь к усилителю У. Управление двигателем достигается изменением нап­ряжения UУ цепи якоря. Во второй схеме (рис. 21, б), наоборот, обмотка возбуж­дения подключена к усилителю У, а якорь ­к источнику постоянного напряжения U.

Для устройств автоматики используют двигатели постоянного тока с независи­мым возбуждением серии СЛ (мощностью от 7,5 до 230 Вт, напряжением 110 В; ча­стота вращения от 850 до 5200 об/мин).

Из маломощных асинхронных двигателей переменного тока используют двухфазные, а из более мощных – трехфазные.

Двухфазные асинхронные исполни­тельные двигатели выполняются с короткозамкнутым ротором и с ротором в виде тонкостенного полого цилиндра. Последние отличаются малым моментом инерции и применяются в быстродействующих ис­полнительных устройствах. Одна обмотка статора двигателя (рис. 22, а) подключе­на к сети переменного тока с неизменным напряжением UВ и называется обмоткой возбуждения (ОВ). Другая обмотка – об­мотка управления (ОУ) – подключена к усилителю УВ регулируемым напряжением Uy той же частоты, что и напряжение питания.

Рис. 22. Схема (а) и характеристика (б) двухфазного асинхронного двигателя

Для получения двухфазного вращаю­щегося поля необходимо при пространственном сдвиге обмоток на 90° обеспечить сдвиг магнитодвижущих сил обмоток по фазе на 90°. С этой целью в обмотки воз­буждения ОВ включают соответствующую емкость С. Чтобы изменить направление вращения двигателя, достаточно изменить на 180° фазу напряжения у любой обмотки статора. Плавное управление частотой вращения двигателя от нуля до максимума возможно благодаря изготовлению ро­тора с большим активным сопротивлением. Кроме того, при таком роторе исключается возможность вращения двигателя в однофазном режиме при снятом сигнале с управляющей обмотки. Это очень важно для исполнительных двигателей, так как в противном случае может произойти потеря управления. Примерные механические ха­рактеристики двухфазного исполнительно­го двигателя при разных напряжениях в обмотках управления показаны на рис 22, б.

Асинхронные двигатели выпускают с короткозамкнутым ротором – серия АСМ, мощность 0,67…4,6 Вт и с полым ротором – ­серия АДП для частот 50, 330, 427 и 500 Гц, мощностью от 3,7 до 6,2 Вт (для частоты 50 Гц изготавливают двигатели АДГ двух типов – мощностью 9,5 и 19 Вт).

Реже в качестве исполнительных уст­ройств применяют трехфазные асинхрон­ные двигатели. Управление ими осущест­вляется изменением напряжения питания или частоты. Наиболее распространены ма­лые трехфазные асинхронные двигатели с плавными характеристиками серии АОЛ мощностью от 50 до 1000 Вт, напряжением 127, 220 и 380 В, частотой 50 Гц.

Шаговые электродвигатели использу­ются в тех автоматических устройствах, где управляющий сигнал задается в цифро­вой форме или в виде последовательных импульсов. Автоматизированный привод дискретного действия с шаговыми двига­телями достаточно прост, надежен и имеет малые габариты. Шаговые двигатели при­меняют в различного рода счетчиках, зат­ворах, лентопротяжных механизмах.

Электромагниты. Электромаг­ниты предназначены для выполнения быст­рых перемещений рабочего органа на не­большие расстояния и в основном для уп­равления гидравлическими или пневмати­ческими вентилями, кранами, задвижка­ми, золотниками.

В зависимости от величины хода яко­ря электромагниты могут быть длиннохо­довыми и короткоходовыми. Один из видов исполнительного устройства – про­стой электромагнитный вентиль (солено­идное исполнительное устройство) – приводит в действие клапан, открывающий и закрывающий доступ рабочей жидкости или сжатого воздуха в привод машины (рис. 23, а). При прохождении по катуш­ке 1 электрического тока стальной якорь 2 втягивается внутрь соленоида и открывает клапан 3.

Рис. 23. Электромагнитные исполнительные устройства: а – вентиль; б – муфта

На принципе электромагнитного при­тяжения основаны устройства и действие электромагнитных муфт (рис. 23, б), получивших широкое применение в автоматизированных станках и других машинах, где при их помощи производятся раз­личные переключения в кинематических цепях без прерывания движения. На веду­щем валу 4 жестко закреплен корпус 5 электромагнита. Якорь 2 расположен на ведомом валу 9. Между корпусом 5 и якорем 2 помещен фрикционный диск 6. В корпусе 5 находится катушка 7, которая питается постоянным током через контакт­ные кольца и щетки. При прохождении че­рез обмотку катушки электрического то­ка в корпусе возникает магнитный поток, пронизывающий фрикционный диск и за­мыкающийся через якорь. Якорь притяги­вается к корпусу, и движение ведущего вала 4 передается ведомому валу 9. При прекращении подачи тока в катушке пру­жина 8 отталкивает якорь 2 от корпуса 5 и движение ведомого вала прекращается.

В случае когда необходимо реверсив­ное вращение ведомого вала при неизмен­ном вращении ведущего вала, применяют реверсивные сдвоенные муфты.

Реле. Одним из наиболее pacпростpa­ненных элементов автоматики является реле - устройство, реагирующее на изменение тех или иных факторов замыканием или размыканием своих контактов под воздействием электрического тока, свето­вой энергии, давления жидкости или газов, уровня жидкости, температуры и т. п. Ста­тическая характеристика реле (рис. 24) выражает функциональную зависимость параметра выходной величины у от входной x и имеет дискретный характер. Толь­ко при достижении входной величиной x значения xср реле скачкообразно изменяет значение параметра у от у1 до у2 Дальней­шее увеличение x уже не приводит к изме­нению параметра у. При уменьшении x до xотп снова скачкообразно изменяется зна­чение параметра у от у2 до у1. Работа реле характеризуется в основном параметрами срабатывания и отпускания, коэффициен­том возврата и мощностью управления.

Рис. 24. Статическая характеристика реле

Параметр срабатывания реле – минимальное значение физической величины (тока, напряжения, давления и др.), при которой происходит срабатывание реле, т. е. изменение его состояния. На характе­ристике (см. рис. 24) параметр сраба­тывания реле соответствует xср и скачко­образному изменению выходной величины от у1 до у2.

Параметр отпускания реле – мак­симальное значение физической вели­чины (тока, напряжения, давления, температуры и др.), при котором реле воз­вращается в первоначальное состояние (на характеристике он соответствует xотп и скачкообразному изменению выходной ве­личины от у2 до у1; обычно xср xотп).

Коэффициент возврата реле – отношение параметров отпускания и срабатыва­ния

. (17)

Чем больше коэффициент возврата, тем выше качество реле. У наиболее часто применяемых в системах автоматики электромагнитных реле постоянного тока коэффициент возврата КВ = 0,1…0,99.

Мощность управления – наибольшая величина мощности управляемой цепи, допускающая надежную работу реле. Эта мощность зависит от общей конструкции реле (контактов управления).

По принципу действия реле подразде­ляют на электромеханические (электромагнитные, магнитоэлектрические, элект­родинамические и индукционные), элект­ронные, тепловые, механические и ряд других.

Электромагнитные реле по­лучили наибольшее распространение в си­стемах электроавтоматики и служат в основном для коммутации электрических цепей. Действие реле (рис. 25) заключа­ется в притяжении стального якоря 2 к сердечнику 3 электромагнита, по обмот­ке 4 которого пропускается управляющий ток. При отсутствии тока якорь оттягива­ется от сердечника возвратной пружиной 1. Якорь замыкает или размыкает контакты 5. Электромагнитные реле по роду используемого тока подразделяются на реле по­стоянного и переменного тока.

Рис. 25. Схема электромагнитного реле

Рис. 26. Схема электромагнитного реле переменного тока

Реле переменного тoка (рис. 26) со­стоит из тех же деталей, что и реле посто­янного тока. Отличие заключается в том, что сердечник 1, ярмо 2 и якорь 3 этого реле изготавливаются из листовой элект­ротехнической стали с целью уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Си­ла притяжения якоря реле переменного тока принимает нулевые значения в мо­мент прохождения магнитного потока, из­меняющегося по синусоидальному закону, через ноль. В эти моменты возвратная пру­жина может оттянуть назад малоинерционный якорь и вызвать его вибрацию и даже искрение контактов реле. Для устранения этого нежелательного явления реле пере­менногo тока изготавливают с короткозам­кнутым витком 4, охватывающим часть сердечника (см. рис. 26). Когда основ­ной магнитный поток Ф1Ф2, создаваемый обмоткой реле, проходит через нулевое значение, ток в короткозамкнутом витке создает в сердечнике поток Ф, удержи­вающий якорь в притянутом положении. Реле имеют большое количество различ­ных контактов и контактных пар на замы­кание и размыкание.

Реле постоянного тока являются наи­более распространенным видом реле. Они подразделяются на нейтральные и поляри­зованые. Поляризованное реле в отличие от нейтрального работает в зависимости от полярности приложенного напряжения. Поляризованное реле отличается от обыч­ного электромагнитного реле дополнитель­ной установкой постоянного магнита и за­висимостью направления перемещения яко­ря от напряжения намагничивающего тока. Высокая чувствительность, малое время срабатывания и возможность реагирования на полярность управляемого сигнала делают реле незаменимым в автоматике. Поляризованные реле могут быть двухпо­зиционными и трехпозиционными с тре­мя устойчивыми положениями: средним и двумя крайними.

Тепловое реле срабатывает в результате изменения температуры. Основ­ной частью большинства тепловых реле яв­ляется биметаллическая пластина, состоя­щая из двух спаянных пластинок из раз­личных металлов, имеющих разные коэф­фициенты температурного расширения. При пропускании тока по обмотке биме­таллическая пластина, нагреваясь, изги­бается и замыкает рабочие контакты. Теп­ловые реле находят широкое применение в различных схемах защиты, например в схеме защиты электродвигателей от пере­грузки. В схемах автоматики применяют тепловые реле типов ТРВ –113, ВПУ, РВТ – 150, РТ и другие.

Реле времени – это специальное устройство, предназначенное для получе­ния заданной выдержки времени при включении или выключении электрических це­пей. Увеличение времени срабатывания или отпускания реле достигается магнит­ным, электрическим или механическим способом. Магнитный способ замедления действия реле предусматривает увеличение времени изменения магнитного потока. В этом случае на магнитопровод реле надева­ют медный короткозамкнутый виток, в котором при подаче напряжения на обмотку реле возникает электрический ток, соз­дающий размагничивающий магнитный по­ток. Промежуток времени от момента включения обмотки реле до момента его срабатывания увеличивается. Отечествен­ной промышленностью выпускаются электромагнитные реле серии ЭРЭ – 100 с выдерж­кой времени от 0,25 до 16 с и более.

Электрические методы замедления сра­батывания и отпускания реле сводятся к замедлению нарастания и спадания тока введением в схему дополнительных сопротивлений, индуктивностей, емкостей. На рис. 27 приведены схемы замедления срабатывания электромагнитных реле постоян­ного тока. В одном случае (рис. 27, а) параллельно обмотке реле включено соп­ротивление R, по которому после размы­кания ключа К протекает ток, создающий магнитный поток, увеличивающий время отпускания реле. В другом случае (рис. 27, б) выдержка времени достигается путем шунтирования катушки реле емко­стью С. В этой схеме увеличивается время срабатывания и опускания.

Рис. 27. Схемы включения электромагнитного реле с увеличением времени срабатывания

Механические методы позволяют осу­ществить выдержку времени с применением масляных или воздушных демпфе­ров, часовых механизмов, например, в ре­ле РВП – 1М, PBП – 2, ЭВ – 100. Большая выдержка времени обеспечивается мотор­ными реле времени. Контакты этих реле приводятся в действие маломощными электродвигателями. Промышленностью выпускаются моторные реле времени ВС (ВС – 2, ВС – 3, ВС – 7, ВC–10), осуществляю­щие выдержку времени в пределах от 6 с до 24 ч. К моторным реле можно отнести командный электропневматический при­бор КЭП – 12У, коммутирующий по устанав­ливаемой программе 12 электрических и пневматических цепей. Командный электропневматический прибор получил широкое применение при автоматизации бетоносмесительных узлов на заводах железобетонных конструкций.

Контактором называют аппарат для дистанционного включения и отключе­ния силовых электрических цепей. По принципу действия электромагнитный кон­тактор аналогичен электромагнитному реле.

Как правило, контактор состоит из контактов, осуществляющих замыкание и размыкание силовой цепи тока, электро­магнита и дугогасительного устройства. Кроме главных контактов, зачастую уста­навливают один или несколько блок-кон­тактов, предназначенных для коммута­ции цепей управления, а также для связи с другими аппаратами сигнализации и электронной блокировки.

Контакторы имеют как замыкающие, так и размыкающие контакты. Отечественной промышленностью выпускаются серий­но контакторы типов КТ и КТВ (перемен­ного тока 75, 150, 300 и 600 А), а также серии КП – 500 (постоянного тока 100, 150, 300 и 600 А).

Магнитный пускатель пред­ставляет собой электромагнитный контак­тор переменного тока, смонтированный в стальном корпусе вместе с тепловым или другого типа реле защиты от перегрузки или коротких замыканий. В системах ав­томатического управления и регулирования магнитные пускатели могут быть при­менены для включения привода различных исполнительных механизмов, а также для дистанционного управления асинхронны­ми двигателями малой и средней мощности. Магнитные пускатели выпускаются нескольких серий. Основные из них ПА, П – 6 и ПМУ.

Все большее применение в системах автоматического управления находят герметизированные магнитоуправл­яемые контакты (МУК) – герконы, которые размещаются внутри обмотки и по существу представляют собой безъякорное реле. Контакты в виде двух пластин из феррамагнитного материала (пермаллой и др.) помещаются внутри стеклянной ампу­лы, наполненной аргоном (иногда водоро­дом, азотом). При подаче входного сигна­ла в обмотку, внутри которой расположен магнитоуправляемый контакт (число их иногда достигает десятка), происходит на­магничивание ферромагнитных пластин, возникают усилия притяжения и концы пластин образуют контакт, коммутирующий выходную цепь нагрузки. При отключении обмотки от источника сигнала пластины под действием упругих сил возвращаются в исходное положение. Малые расстояние между контактами и инерционность подвижных частей обеспечивают вы­сокое быстродействие реле – время сра­батывания их достигает 10 мкс. Магнитоуправляемые контакты часто используют­ся во всякого рода конечных выключате­лях, счетчиках импульсов и т.д.

Электронное реле состоит из электронного усилителя и электромагнит­ного реле, катушка которого включена в выходную цепь усилителя. Благодаря уси­лителю мощность срабатывания электрон­ного реле достигает 10-8…10-10 Вт. Ос­новным достоинством электронных реле является то, что они реагируют на управ­ляющие сигналы ничтожной мощности.

Для широкого внедрения автоматиче­ского управления и вычислительных ма­шин необходимы переключающие устрой­ства релейного действия, обладающие свой­ствами электромагнитных реле, но не имеющие механических контактов, так как последние в сложных устройствах не обеспечивают быстродействия и надежно­сти в рабате. Таким переключающим уст­ройством является бесконтактное элект­ронное реле, отличающееся двумя состоя­ниями равновесия. Каждому из этих состояний соответствуют устойчивые значе­ния токов в цепях схемы. Подачей неболь­ших управляющих напряжений можно заставить схему резко, скачком, перейти из одного равновесного состояния в другое. Бесконтактные электронные реле практи­чески безынерционны (время срабатыва­ния их составляет 0,5…10 мкс).

Принципиальная схема электронного реле изображена на рис. 28, а. Реле Р1 вы­ключено, если нет сигнала на входе, т. е. транзистор VТ1 закрыт и в коллекторной цепи нет тока. При подаче напряжения UВХ отрицательной полярности возникает ток в цепи: +, эмиттер – коллектор транзистора VТ1, обмотка реле Р1, – Ек . Соответствен­но срабатывает реле Р1, контакты 1–2 за­мыкаются. После снятия входного сигнала (напряжения) транзистор закрывается и реле Р1 выключается. Чтобы не было про­боя транзистора, параллельно обмотке ре­ле ставится диод VD1. Диод открывается под действием э. д. с. самоиндукции, воз­никающей в обмотке реле Р1, при закры­тии транзистора и шунтирует обмотку реле.

Рис. 28. Схемы обычного электронного реле (а) и фотореле (б)

Фотореле называется устройство, скачкообразно переключающее электриче­скую цепь при изменении освещенности. В качестве элементов, реагирующих на осве­щенность, в фотореле используются фото­элементы (фотодиод, фототранзистор или фоторезистор).

Принципиальная схема одного из фо­тореле изображена на рис. 28, б. Если фотодиод VD1 не освещен, то транзистор VТ1 закрыт, так как внутреннее сопротив­ление VD1 велико, и током базы можно пренебречь. Реле Р1 выключено. При осве­щении фотодиода его внутреннее сопро­тивление резко уменьшается и возникает ток в цепи: + Ек, эмиттер – база транзистора, фотодиод VD1, – Ек .Транзистор откры­вается, реле Р1 срабатывает. Диод VD2 пре­дохраняет транзистор от пробоя. Бесконтактные электронные реле широко приме­няют в системах автоматического контро­ля и регулирования.

Электромагнитные исполнительные элементы служат для выполнения простых операций управления (включать – выключать, открывать – закрывать). Более сложные функции исполнительного блока выполняют электрическими, гидравличе­скими и пневматическими двигателями.

Гидравлические исполнительные уст­ройства. Устройствами с гидравлическим пpинципом действия являются прежде все­го гидравлические двигатели с поступатель­ным или вращательным движением. К пер­вому виду относятся двигатели поршне­вые и мембранные, а ко второму - рота­ционные (лопастные и поршневые). Чаще других в качестве исполнительных меха­низмов используются поршневые гидро­двигатели поступательного движения. Ос­новной частью такого двигателя служит гидроцилиндр с поршнем, закрепленным на штоке, который в свою очередь жестко соединяется с рабочим органом машины.

Для получения вращательного движе­ния в гидравлических системах применяют гидродвигатели с осевым расположением поршней мощностью 0,6; 1,2; 2,5; 5 и 10 кВт. Достоинство гидропривода – вы­сокое давление рабочей жидкости при срав­нительно малых габаритных размерах, что позволяет получить на выходе большую мощность и осуществить плавное бессту­пенчатое регулирование скорости движе­ния. В настоящее время строительные машины, в большинстве своем, оборудуются гидроприводом.

Пневматические исполнительные устройства. Эти устройства (рис. 29), в основном поршневые и мембранные, по сво­ей конструкции аналогичны гидравлическим и применяются для приведения в действие дроссельных клапанов, зажим­ных приспособлений, тормозных колодок и т. п. Поршневые устройства, которые на­иболее часто применяются в транспортных системах и манипулятарах, имеют стан­дартные диаметры от 75 до 300 мм. У мем­бранныx устройств диаметры от 175 до 230 мм.

Рис. 29. Пневматические исполнительные механизмы: а) поршневой двустороннего действия; б) мембранный; I и II – полости цилиндра; 1 – штуцер; 2 – канал для подачи воздуха; 3 – цилиндр; 4 – шток; 5 – поршень; 6 – отверстие для подачи воздуха; 7 – резиновая мембрана; 8 – крышки; 9 – диск; 10 – пружина; 11 – втулка; 12 – гайка; 13 – шток привода; 14 – шкала положения регулирующего органа

Пневматические устройства дешевле гидравлических, более просты в изготов­лении и эксплуатации. Они не требуют высокого качества уплотнения, не реагируют на изменение температуры и имеют более простые пусковые приспособления. Одна­ко при больших рабочих усилиях пневма­тические устройства должны иметь значи­тельные габаритные размеры. Кроме того, такие устройства не могут обеспечить вы­сокой точности перемещений и плавности подачи.

Гидро– и пневмоавтоматикa и элемен­ты их управлении находят широкое применение при автоматизации технологических процессов бетоносмесительных узлов, арматурных работ на заводах железобетонных конструкций, а также в системах автоматического управления путевыми и строительными машинами [1].

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]