Виды исполнительных механизмов

Краткое определение исполнительного механизма было дано в гл. 3, применительно к АСУ ТП его можно расширить.

Исполнительные механизмы — это устройства, осуществляющие перемещение или изменение состояния рабочих органов, воздей-

133

ствующих непосредственно на технологический процесс в соот­ветствии с управляющим сигналом.

Рабочими органами могут быть вентили, задвижки, заслонки, клапаны, суппорты, каретки, движки реостатов, нагреватели и т.д. Движение рабочих органов может быть поступательным, пово­ротным (угол поворота — до 360°) или вращательным (угол пово­рота — более 360°). Изменение состояния может заключаться в их включении или выключении, изменении коэффициента переда­чи, реверсировании (изменении направления на противополож­ное) и т.д.

В состав исполнительных механизмов может входить ряд эле­ментов и устройств, обеспечивающих нужные статические и ди­намические характеристики. Это, например, редуктор и распре­делительные устройства, управляющие потоком газа или жидко­сти; исполнительные устройства — электрические, пневматиче­ские или гидравлические усилители мощности; датчики состоя­ния, отображающие положение рабочих органов.

Статические и динамические характеристики ИМ определя­ются:

•         величиной и скоростью линейного или углового перемеще­ния;

«развиваемым моментом;

•       погрешностью;

•       чувствительностью;

•      устойчивостью.

В общем случае исполнительные механизмы можно подразде­лить по виду используемой энергии на электрические, пневмати­ческие и гидравлические.

Источником энергии для электрических ИМ является, как пра­вило, электрическая сеть с напряжением 220 или 380 В. Однако многие ИМ работают и при напряжении 36 В переменного тока или 12, 24, 27 В постоянного тока (всевозможные электромагнит­ные реле, пускатели, электромагниты, электродвигатели и т.д.). Электрические ИМ преобразуют электроэнергию в механическую энергию перемещения рабочих органов или энергию их включе­ния-выключения.

Источником энергии пневматических ИМ обычно является за­водская сеть с давлением около 6 • 10⁵ Па. Однако их питание мо­жет осуществляться и от автономных источников, в качестве ко­торых может выступать не только сжатый воздух, но и сжатый газ при самых различных давлениях, вплоть до 10⁷ Па. Пневматиче­ские ИМ обычно преобразуют энергию сжатого газа в механиче­скую энергию перемещения рабочих органов.

Гидравлические ИМ используют энергию находящихся под дав­лением минеральных масел, спиртоглицериновой смеси или спе-, циальных жидкостей. При этом жидкость находится именно под

!                                                                                                                                                   134

давлением, так как она не сжимаема в отличие от воздуха или газа, которые могут быть сжаты. Давление жидкости может дости­гать значительной величины, поэтому развиваются огромные уси­лия при малых габаритных размерах ИМ. Гидравлические ИМ пре­образуют энергию жидкости под давлением в энергию перемеще­ния рабочих органов.

Для управления потоком газа или жидкости в пневматических и гидравлических механизмах используются распределительные устройства, приводимые в действие, -как правило, за счет элект-. рической энергии. Поэтому исполнительные механизмы подраз­деляются на электромеханические, электропневматические и элек­трогидравлические.

По характеру воздействия на технологический процесс ИМ подразделяются на аналоговые (пропорциональные) и дискрет­ные (позиционные).

Аналоговые ИМ могут устанавливать рабочий орган в любое промежуточное состояние, пропорциональное величине управля­ющего сигнала (например, открыть вентиль на 22 % или повер­нуть заслонку на 73°).

Дискретные ИМ устанавливают рабочий орган только в опре­деленные фиксированные состояния. Например, дискретный сиг­нал, подаваемый на нагреватель, может включить его в первое, второе или третье состояние либо отключить. Клапан при подаче дискретного сигнала может либо открыть путь жидкости, либо закрыть.

Электромеханические исполнительные механизмы

Электродвигатели

Электродвигатель преобразует энергию электромагнитного поля в механическую энергию вращения ротора.

В АСУ ТП используют электродвигатели, выходные характери­стики которых определяются величиной управляющего сигнала. Они получили название исполнительных, или управляемых, элек­тродвигателей и могут быть постоянного тока, переменного тока и шаговыми.

Особенностью исполнительных двигателей в отличие от сило­вых является то, что они практически никогда не работают в но­минальном режиме. Для их работы характерны частые пуски, ос­тановки, реверсы.

Электродвигатели постоянного тока легче управляются, но дви­гатели переменного тока более надежны, просты и дешевы. Шаго-

135

вые электродвигатели обеспечивают пошаговое перемещение ре­гулирующих органов.

Основные требования, предъявляемые к; исполнительным элект­родвигателям:

•       широкий диапазон регулирования скорости вращения;

•      большой пусковой момент;

•       простота регулирования;

•     отсутствие «самохода», т.е. способность двигателя останавли­ваться сразу же после снятия сигнала управления;

•     возможность реверсирования;

•      высокое быстродействие;

•      большая мощность при малых габаритных размерах. Первыми появились двигатели постоянного тока. В 30-х гг. XIX в.

русский ученый Б. С.Якоби построил действующий электродви­гатель, основные элементы которого сохранились до настоящего времени. Он стал основным исполнительным двигателем приво­дов, требующих плавного регулирования скорости вращения в широком диапазоне. В конце XIX в. М.О.Доливо-Добровольский предложил конструкцию трехфазного асинхронного электродви­гателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, ставшего основой асинхронных исполнительных приводов.

Электродвигатели постоянного тока. Электродвигатель посто­янного тока (рис. 6.1, а) состоит из статора с полюсами, на кото­рых размещена обмотка возбуждения, якоря с обмоткой и кол­лектора с щетками.

В качестве исполнительных электродвигателей малой мощнос­ти широкое применение нашли магнитоэлектрические двигате­ли, магнитное поле которых создается за счет постоянных магни­тов (двигатели серии ДПМ и ДПР) (рис. 6.1, б).

Обмотки полюсов двигателя служат для создания постоянного магнитного поля, в котором вращается якорь. Если к обмотке якоря приложить напряжение U, то в ней потечет ток /_я (рис. 6.2, а).

 

Взаимодействие тока и магнитного поля создаст электромагнит­ную силу, которая заставит якорь двигаться. Как только он начнет вращаться (пересекать магнитное поле), в его обмотках наведется ЭДС е_я, создающая ток, направленный навстречу току от прило­женного напряжения. В результате ток в якоре будет определяться разностью между напряжением питания и наведенной ЭДС:

Г_я = (и-е_я)/К_я,                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 (6.1)

где rk — сопротивление обмотки якоря.

Коллектор в электродвигателях постоянного тока служит для преобразования постоянного напряжения, подводимого к щет­кам, в переменное напряжение в обмотке якоря, что позволяет сохранить неизменным его направление вращения (рис. 6.2, б).

В момент пуска, когда е_я = О, ток якоря может достигать значи­тельной величины (см. формулу (6.1)), что требует применения в схеме пускового реостата (ПР), включаемого последовательно с якорной обмоткой Я1 — Я2 (рис. 6.2, в). По мере разгона двигателя сопротивление пускового реостата уменьшается до нуля (рис. 6.3, а). Ток /_в в обмотке возбуждения Ш1 —Ш2 остается неизменным;

137

 

при этом ток якоря /_я и частота вращения п достигают установив­шихся значений (рис. 6.3, б).

Двигатель постоянного тока обладает «жесткой» механической характеристикой (зависимостью частоты вращения от момента нагрузки), т.е. при увеличении нагрузки частота вращения умень­шается незначительно (рис. 6.4, а, прямая Л_д = 0).

Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока возможно за счет:

•      изменения сопротивления R_a в цепи якоря — реостатное ре­гулирование (рис. 6.4, б). При этом частота вращения двигателя без нагрузки л₀ остается неизменной, а с появлением момента нагруз­ки Л/_н на валу изменяется в широком диапазоне (см. рис. 6.4, а);

•     изменения тока в обмотках возбуждения — полюсное регулиро­вание (рис. 6.5, а) путем изменения сопротивления Л_вв цепи воз­буждения. При этом изменяется частота вращения как без нагруз­ки, так и с нагрузкой (рис. 6.5, б). Полюсное регулирование яв­ляется экономичным, поскольку управление магнитным потоком возбуждения осуществляется за счет изменения тока возбуждения /_в, величина которого невелика;

•    изменения напряжения питания £/_я якорной обмотки — якор­ное регулирование (рис. 6.6, а). При этом поток возбуждения дол­жен оставаться неизменным. Это должны быть двигатели с неза­висимым, параллельным возбуждением или магнитоэлектрические двигатели. Частота вращения двигателя практически линейно за­висит от напряжения питания якорной обмотки £/„ (рис. 6.6, б).

Широкое применение в качестве исполнительных нашли дви­гатели постоянного тока с независимым возбуждением и возбуж­дением от постоянных магнитов.

При независимом возбуждении в качестве обмотки управления используется либо обмотка якоря — якорное регулирование (рис. 6.7, а), либо обмотка полюсов — полюсное регулирование (рис. 6.7, б).

138

ку постоянного чапряжения и является обмоткой возбуждения. На обмотку якор: сигнал с усилителя мощности подается лишь тогда, когда необходимо вращение якоря. Во втором случае к ис­точнику постоянна о напряжения всегда подключена обмотка якоря, которая выполняет роль обмотки возбуждения. Управляю­щей обмоткой является обмотка полюсов. Для ограничения пус­ковых токов в якорной обмотке во время переходных режимов последовательно с ней включается балластное сопротивление rq.

В двигателях с возбуждением от постоянных магнитов управля­ющей обмоткой всегда является обмотка якоря, т.е. такие двига­тели всегда работают с якорным регулированием (рис. 6.7, в).

Основными преимуществами исполнительных двигателей по­стоянного тока являются возможность плавного регулирования их частоты вращения от нуля до максимального значения, высокий пусковой момент и высокое быстродействие.

Основными недостатками двигателей постоянного тока явля­ются невысокая надежность и недолговечность из-за наличия кол-

лектора и щеток, которые могут истираться, забиваться пылью и продуктами износа, а также искрить.

Электродвигатели переменного тока. Электродвигатели перемен­ного тока могут быть асинхронными и синхронными.

Асинхронные двигатели по сравнению с машинами постоянно­го тока более надежны и долговечны, просты конструктивно и в обслуживании, имеют более широкий диапазон мощностей.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя осно­ван на взаимодействии вращающегося магнитного поля с тока­ми, наводимыми в обмотках ротора этим полем. Помещенный во вращающееся магнитное поле ротор с обмоткой начинает вра­щаться в направлении магнитного поля.

Однако догнать поле ротор не может, так как в противном случае поток перестанет пересекать обмотку и в ней не будет на­водиться ЭДС, а следовательно, ток и электромагнитный момент будут равны нулю.

Таким образом, в асинхронной машине всегда частота враще­ния ротора п меньше частоты вращения магнитного поля п\.

Величина S = (п\ - п)/п\ называется скольжением в асинхрон­ной машине и для электродвигателя с короткозамкнутым рото­ром находится в пределах 2...7 %, т.е. асинхронная машина имеет «жесткую» механическую характеристику.

Реверсирование в трехфазном асинхронном двигателе осуще­ствляется за счет изменения направления вращения магнитного поля, которое, в свою очередь, определяется порядком чередова­ния фаз: прямой (А, В, Q или обратный (А, С, В) (рис. 6.8, а).

В АСУ ТП широко применяются и двухфазные асинхронные двигатели. Они имеют на статоре две обмотки: обмотку управле-

140

ния (ОУ) и обмотку возбуждения (ОВ), сдвинутые в простран­стве на 90° и питаемые токами, сдвинутыми по фазе в идеальном случае также на 90°. Это позволяет получить вращающееся маг­нитное поле, поэтому принцип работы двухфазного асинхронно­го двигателя аналогичен принципу работы трехфазной машины. Обе обмотки статора могут питаться от одной и той же сети, но в одну из обмоток — обмотку возбуждения — включается конден­сатор С, что позволяет сдвинуть токи в обмотках по фазе. Такой двигатель называется конденсаторным (рис. 6.8, 6).

Ротор двухфазных машин, используемых в качестве исполни­тельных двигателей, чаще выполняется в виде полого алюминие­вого стаканчика.

Двигатель с полым ротором (рис. 6.9, а) имеет внутренний 5 и внешний 2 статоры из наборного железа, расположенные на кор­пусе /. На внешнем статоре размещаются две обмотки 3, сдвину­тые в пространстве на 90°. Внутренний статор служит для умень­шения сопротивления магнитному потоку. Между статорами на оси 4 вращается алюминиевый тонкостенный стаканчик — ротор 6 (толщина стенок — 0,1... 1,0 мм.)

Работа двигателя с полым ротором основана на взаимодействии вращающегося магнитного поля, создаваемого обмотками стато­ра, с вихревыми токами, наводимыми этим полем в алюминие­вом стаканчике. Момент инерции полого ротора мал, поэтому бы­стродействие двигателя велико.

Большое активное сопротивление тонкостенного стаканчика и «мягкая» механическая характеристика п =/(М_н) двигателя с по­лым ротором позволяют уменьшать частоту вращения ротора за счет изменения подводимого напряжения {У_упр от максимальной (синхронной) почти до нуля. Такое управление называется ампли­тудным (рис. 6.9, б}.

Если напряжение питания обмоток оставить неизменным, а изменять угол сдвига фаз между токами в обмотках с помощью

Стр141

 

 

фазосдвигающей цепочки, то частота вращения ротора тоже бу­дет изменяться; такое управление называется фазовым.

Можно изменять и амплитуду управляющего напряжения, и фазу — это амплитудно-фазовое управление.

Двухфазный двигатель с одним из рассмотренных способов управления частотой вращения может использоваться в качестве исполнительного, в то время как трехфазные асинхронные двига­тели применяют в качестве силовых.

На рис. 6.9, б приведена также схема пуска асинхронного дви­гателя. После срабатывания выключателя В нажимается кнопка «Пуск» и по обмотке контактора К течет ток. Контактор срабаты­вает и замыкает контакты цепи питания обмоток статора, а также контакты, блокирующие кнопку «Пуск». Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку «Стоп», которая разрывает цепь пита­ния обмотки контактора, и тот разрывает цепь обмоток статора и разблокирует контакты, включенные параллельно кнопке «Пуск».

На рис. 6.10, а представлен двигатель с короткозамкнутым ро­тором, а на рис. 6.10, 6 — двигатель с полым ротором.

Так как частота вращения асинхронного двигателя определяет­ся частотой сети и обычно составляет около 3 000 об/мин, в кон­струкцию исполнительного механизма обычно вводится редуктор. Это позволяет получить приемлемые скорости перемещения ра­бочих органов.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором и редук­тором, называемый также мотор-редуктором, представлен на рис. 6.11.

142

 

 

Синхронные двигатели — это электрические машины, частота вращения ротора п которых равна частоте вращения магнитного поля и,, создаваемого обмоткой статора.

В основе работы синхронного двигателя лежит взаимодействие вращающегося магнитного поля статора с постоянным магнит­ным полем ротора.

Статор / синхронного двигателя (рис. 6.12) ничем не отличает­ся от статора асинхронного и имеет обмотки 5, служащие для создания вращающегося магнитного поля. Ротор синхронной ма­шины 6 имеет обмотку 4, выполненную изолированным прово­дом и питаемую постоянным током через контактные кольца 2 и щетки 3. Основное назначение обмоток ротора — создание посто­янного магнитного поля.

В процессе работы происходит взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей: вращающееся внешнее поле за счет «сцепления» магнитных полей увлекает за собой ротор, причем угловые скорости вращения внутреннего и внешнего полей ока­зываются одинаковыми.

Питание обмотки ротора постоянным током имеет два недо­статка: необходим источник постоянного напряжения; контакт­ное устройство (кольца со щетками) снижает надежность.

Этих недостатков лишены электродвигатели, в которых вместо электромагнита в роторе используется постоянный магнит с вы­сокой коэрцитивной силой. Такие двигатели называются гистере-зисными. В их роторах магниты заливаются алюминием, образуя сплошной цилиндр (рис. 6.13, а). Алюминий играет роль пусковой обмотки, в которой под действием вращающегося магнитного поля наводятся вихревые токи. Под действием этих токов ротор прихо­дит во вращение аналогично полому ротору асинхронного двига­теля. Мощность таких машин небольшая — до 300 Вт.

Широко применяются в качестве машин малой мощности так­же реактивные электродвигатели. В них источник постоянного маг­нитного поля на роторе отсутствует. Его вращение обеспечивается особой формой ротора (рис. 6.13, б, в) и «упругостью» магнитных силовых линий, которая заставляет ротор при отсутствии нагруз­ки располагаться по оси полюсов статора и вращаться синхронно с полем статора. При наличии нагрузки ротор отстает от оси по-

 

люсов на угол (3, но продолжает вращаться с синхронной скоро­стью (т.е. с той же скоростью, что и магнитное поле).

В роторе, представленном на рис. 6.13, б, стальные полосы / залиты алюминием 2, а на рис. 6.13, в ротор выполнен в виде ско­шенного по бокам цилиндра из ферромагнитного материала. В обоих случаях намагниченность по оси d—d обеспечивается значитель­но легче, чем по оси q—q.

Схемы включения обмоток статора синхронного и асинхрон­ного двигателей аналогичны, поскольку в обоих случаях статор служит для создания вращающегося магнитного поля.

Основное применение синхронные двигатели нашли в устрой­ствах, в которых необходимо поддерживать неизменной скорость вращения основных узлов: в лентопротяжных механизмах, самопи­шущих и регистрирующих приборах, электромагнитных муфтах.

Шаговые электродвигатели. Цифровая форма представления сигналов управления в ЭВМ привела к созданию нового типа дви­гателей — шаговых, которые непосредственно преобразуют уп­равляющий сигнал в виде последовательности импульсов в фик­сированный угол поворота вала или линейное перемещение.

В основе работы шаговых двигателей лежит стремление маг­нитного потока замыкаться по пути наименьшего сопротивления. В них статор и ротор, выполненные из ферромагнитного матери­ала, имеют направленные друг к другу прямоугольные выступы (полюсы), расположенные равномерно (рис. 6.14, а). Число полю­сов на статоре и роторе одинаково и достаточно велико — от де­сятков до 200 и более. Статор состоит из трех секций, располо­женных вплотную друг к другу, на которых размещены отдельные обмотки. Полюсы всех секций статора совмещены. Обмотки сек­ций включаются в систему управления независимо друг от друга. Ротор также состоит из трех секций, расположенных на одном валу, но полюсы второй секции смещены относительно полю-

сов первой секции на 1/3 шага полюсов, а третьей секции — на 2/3 шага.

Если выступ ротора находится под выступом статора (рис. 6.14, б, положение 1), то магнитное сопротивление цепи статор —ро­тор наименьшее. При подаче напряжения в обмотку статора этой секции ротор остается неподвижным. Если же напряжение подать в обмотку статора соседней секции, то ротор поворачивается на 1/3 шага полюсов (см. рис. 6.14, б, положение 2), т.е. до тех пор, пока полюс ротора не окажется под полюсом статора. Если подать напряжение в обмотку следующей секции, то произойдет пово­рот еще на 1/3 шага (см. рис. 6.14, б, положение 3) и т.д.

Таким образом, угол поворота ротора будет определяться ко­личеством последовательно подаваемых в обмотки импульсов, а скорость поворота — частотой этих импульсов. Точность углового перемещения в шаговых двигателях достигает 0,5°, а частота — более 1 000 шагов в секунду. Реверс обеспечивается за счет смены последовательности подачи импульсов в секции статора.

Широкое применение шаговые двигатели нашли в качестве ис­полнительных для перемещения рабочих органов в металлорежу­щих станках, причем их мощность может находиться в диапазоне от единиц до сотен ватт. Если же мощность недостаточная, то применяется агрегат из шагового двигателя с гидроусилителем.

Основными достоинствами шаговых двигателей являются ра­бота непосредственно от дискретных сигналов ЭВМ без их преоб­разования, высокая точность позиционирования, надежность, простота и долговечность; основными недостатками — невысо­кие КПД и мощность.