5.3. Отключение индуктивных нагрузок

Если отключать исполнительное устройство с индуктивностью – например, электродвигатель или обмотки соленоида – с помощью обычного выключателя, то могут возникнуть проблемы. Напряжение на индукторе исполнительного устройства равно

,

где L – индуктивность, a i – ток исполнительного устройства. Если ток отключается достаточно быстро, напряжение на индуктивности в процессе отключения может стать значительным (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Броски напряжения, возникающие в индуктивном исполнительном

механизме при размыкании выключателя

Броски напряжения могут повредить выключатель, поэтому их необходимо гасить. Для этого можно использовать разрядный (шунтирующий) диод (free-wheeling diode), подключенный параллельно нагрузке (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Применение шунтирующего диода для гашения бросков напряжения, возникающих при отключении индуктивных нагрузок.

При размыкании выключателя ток индуктивности протекает через диод. Напряжение на исполнительном устройстве ограничено величиной менее 1 В, что соответствует падению напряжения на диоде. Выключатель должен выдерживать только номинальное напряжение, а не перенапряжения. Ток индуктивности через разрядный диод затухает экспоненциально; скорость затухания можно увеличить, включая последовательно с диодом резистор.

5.4. Исполнительные механизмы с электроприводом

Термин привод (drive system) обозначает комбинацию двигателя с управляющей электроникой. Применение управляющих схем значительно улучшает функциональные свойства электродвигателя, позволяя регулировать скорость и момент в широких пределах и с высокой точностью. Большинство исполнительных механизмов, используемых в системах управления, являются аналоговыми, например двигатели постоянного тока, синхронные и асинхронные двигатели переменного тока. Широко применяются и шаговые двигатели, но их системы управления заметно отличаются от приводов непрерывного действия. Привод может быть частью другого механизма, например системы позиционирования клапана, манипулятора робота и т. д. Обычный CD-плейер содержит приводы для вращения диска и позиционирования держателя считывающего лазерного датчика. При этом и скорость диска, и положение головки должны выдерживаться с высокой точностью. В этом разделе рассмотрены наиболее важные аспекты точного управления электроприводом.

5.5. Управляющие клапаны

Управляющий клапан (control valve) состоит из тела клиновидной или цилиндрической формы (иногда называется тарелкой), закрепленного на стержне (штоке), который движется вверх и вниз относительно цилиндрического седла. Стержень обычно перемещается под давлением сжатого воздуха на поршень или диафрагму с пружиной. Пружина может либо открывать, либо закрывать клапан в зависимости от того, какое положение требуется в случае прекращения подачи сжатого воздуха. Иногда для управления потоком используется электрический или гидравлический привод. Конструкции тела и седла клапана различаются в зависимости от требований к соотношению между производительностью и потерями напора на клапане, типа жидкости и расхода при разных положениях штока.

Размер клапана обычно выбирают в соответствии с параметрами трубопровода, в котором он устанавливается. Выбор формы клапана и сочетания размеров седла и тела (тарелки) требует оценки следующих факторов.

• Потери напора (pressure drop). Большие потери напора на клапане могут затруднить движение штока. Специальная конструкция клапана заставляет поток двигаться в противоположных направлениях через два запирающих элемента, тем самым уравновешивая силы. Необходимость снижения потерь напора может потребовать применения различных типов клапанов, например типа «бабочка» (butterfly valve).

• Максимальный расход (maximum flowrate). Это требование сводится к сочетанию максимального расчетного расхода с максимальной зоной управления. Последняя должна в идеале составлять 30-50 % от расчетного расхода. Иногда неопытные специалисты задают эту величину на уровне 10 %, что заметно ухудшает рабочие характеристики.

• Управляемость (rangeability). Это отношение расходов при двух различных положениях штока. Оно в основном связано с конструкцией тела и седла и зависимостью потерь напора от расходных характеристик, которые, в свою очередь, связаны с характеристиками нагнетающего насоса. Управляемость должна обеспечивать номинальный диапазон расходов с соответствующими зонами управления (желательно 30-50 %) по обе стороны диапазона.

• Чувствительность (sensitivity). Связана с управляемостью и величиной управляющего воздействия, необходимого для управления с заданной точностью. Иногда большой клапан обеспечивает номинальный расход, а малый, установленный параллельно, обеспечивает необходимую чувствительность.

• Линейность (linearity). Желательно, чтобы в контуре управления существовала линейная зависимость между выходами регулятора и датчика, т. е. в цепочке «клапан – процесс – датчик». Если контур управления не обладает линейной зависимостью выходных и входных величин, ее можно обеспечить выбором характеристик клапана, а иногда и датчика. Качество управления при отсутствии линейности может оказаться низким, или потребуется реализация специальных способов управления.

• Гистерезис (hysteresis). Это обычная проблема управляющих клапанов, возникающая из-за процессов сухого трения (прилипания) в месте прилегания запорного элемента клапана к седлу, а также потерь напора на клапане. Как правило, гистерезис является причиной небольших постоянных колебаний в контуре управления, для борьбы с которыми можно применять устройства точного позиционирования клапана. Это специальное устройство управления с большим коэффициентом усиления, которое обеспечивает нужное положение штока клапана. В этом случае управляющий компьютер не осуществляет точного контроля за открытием клапана, а только вырабатывает опорные значения для устройства позиционирования клапана.

Рис. 4.34. Характеристики клапанов.

Управляемость клапана можно определить на основании расчета двух расходов, равных, например, 15 и 85 % от максимального расхода. В этом случае необходим знать функцию , которая характеризует клапан. Клапаны поставляются со следующими характеристиками:

– линейная,

– соответствующая квадратному корню,

– равного процентного отношения (где конструктивная постоянная А обычно лежит в пределах от 20 до 50).

Эти зависимости показаны на рис. 5.3. Следует отметить, что идеальный клапан равного процентного отношения не закрывается полностью. На практике их проектируют таким образом, чтобы получить линейную характеристику при очень малых открытиях, и, следовательно, они закрываются полностью.

Вопросы для самоконтроля:

1. Каким образом обычно выбирают размер клапана?

2. Опишите конструкцию управляющего клапана.

3. Что означает термин «привод»?

4. Чем отличается по принципу действия тиристор от полевого транзистора?

5. В каких целях используется гальваническая развязка?

ТЕСТ 5.

Из предложенных Вам ответов на данный вопрос выберите правильный.

5.1. На каких элементах основывается конструкция выключателя для больших мощностей?

а) На туннельных диодах.

б) На термосопротивлениях.

в) На вакуумных лампах.

г) На пороговых транзисторах.

5.2. В каких случаях происходит отключение тиристоров?

а) Когда исчезает управляющий сигнал.

б) Когда приложенное напряжение падает до нуля.

в) Если управляющее напряжение меняет знак.

г) При высоких температурах.

5.3. Какие проблемы возникают при отключении индуктивных нагрузок?

а) При быстром отключении индуктивности напряжение на ней может стать весьма значительным.

б) В цепи появляются гармонические колебания.

в) Индуктивность перегревается.

г) При медленном отключении индуктивности напряжение на ней может стать весьма значительным.

5.4. Какие недостатки присущи электрическим реле?

а) Низкая надежность.

б) Низкое быстродействие и дребезг контактов.

в) Высокая стоимость.

г) Плохая управляемость.

5.5. Какое количество сигналов используется для управления исполнительным механизмом с одним устойчивым состоянием?

а) 1.

б) 2.

в) 3.

г) 4.