Лекция№ 12. «Исполнительные устройства автоматики»

Исполнительное устройство осуществляет при поступлении на его вход сигналов управления определенные воздействия на объект регулирования. К ним относятся электродвигатели, муфты, тяговые электромагниты, реле и т.п. Исполнительные устройства через рабо­чие органы воздействуют на объект регулирования.

Рабочие органы обеспечивают при выполнении технологической операции соответствующее воздействие на среду, изменяя ее темпе­ратуру, состав, давление, скорость, расход и т.п.

Рабочими органами могут быть различного рода заслонки, кла­паны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты, электрические нагреватели (трубчатые, СВЧ, ИК-излучатели) и другие устройства, так или иначе непосредственно влияющие на протекание технологи­ческой операции.

Исполнительное устройство обычно состоит из двигателя, пере­даточного или преобразующего узла (например, редуктора), а также систем защиты, контроля и сигнализации положения выходного эле­мента, блокировки и отключения. Классифицируются исполнитель­ные устройства по виду используемой энергии на гидравлические, пневматические, электродвигательные и электромагнитные.

Электрические исполнительные устройства. Электрические ис­полнительные устройства можно разделить на электромагнитные и электродвигательные.

К электромагнитным исполнительным устройствам относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназначенные для управления различного рода регулирующими и запорными вентиля­ми, золотниками и т. п. (рис.12.1).

Необходимое для перемещения рабочего органа усилие в них создается за счет электромагнита, являющегося неотъемлемой частью подобного исполнительного устройства.

Рисунок 12.1 - Электромагнитный соленоид: 1-ярмо; 2- электрическая катушка; 3- якорь соленоида; 4- зазор между якорем и ярмом; 5- перемещаемая механическая нагрузка.

Исполнительное устройство с электромагнитным соленоидным приводом состоит из электромагнита с ярмом 1 и якорем 2, между которыми имеется зазор 4 величиной 1. С якорем соединяется меха­ническая нагрузка 5, которую необходимо переместить (груз, рабочий орган - заслонки, задвижки, клапаны, рычаги и т.п.).

При подаче на электромагнит питающего напряжения U под дей­ствием возникающего при этом электромагнитного усилия якорь 3 поднимается вверх на величину воздушного зазора 1.

Электромагниты делятся на электромагниты постоянного и пере­менного тока, на удерживающие и притягивающие, на длинноходные (ход якоря до 150 мм) и короткоходные (ход якоря 2...5 мм); с посту­пательным движением якоря и с поворотным якорем.

Электромагниты широко применяются в электропневматических и электрогидравлических исполнительных устройствах для переме­щения золотника.

К этому типу исполнительных устройств относятся и электромаг­нитные реле, которые широко применяются в автоматике. Схема электромагнитного контактного реле с поворотным якорем показана на рис. 12.2. Реле с поворотным якорем состоит из магнитопровода 1, воз­вратной пружины 2, якоря 3, латунного штифта 4, предохраняющего залипание якоря, 7,8- контактной пары.

При прохождении по обмотке 5 постоянного тока в магнитопро-воде 1 создается магнитный поток Ф, стальной якорь 3 притягивается к сердечнику 6, а при исчезновении тока пружина 2 возвращает якорь в исходное положение.

Когда происходит притягивание якоря, замыкается контактная пара 7,8, которая подает, например, напряжение U_po на рабочий ор­ган (включение электродвигателя).

Контактных пар может быть несколько, причем они могут быть как замыкающиеся, так и размыкающиеся. Подачу напряжения U для срабатывания реле осуществляет система управления.

Электромагнитные реле переменного тока срабатывают при по­даче на их обмотки переменного тока определенной частоты и конст­руктивно отличаются от реле постоянного тока только тем, что сер­дечник и якорь реле изготавливаются из листовой электротехниче­ской стали для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи. Реле переменного тока менее чувствительны и развивают меньшее электромеханическое усилие, чем реле постоянного тока.

Рисунок 12.2 - Электромагнитное контактное реле (а) и схема его включения (б): 1- магнитопровод; 2- возвратная пружина; 3- якорь; 4- латунный штифт; 5- электрическая обмотка; 6- сердечник; 7,8- контактная пара.

Контакторы и магнитные пускатели (силовые реле) — это элек­тромагнитные реле, которые имеют мощную контактную систему, служащую для замыкания и размыкания главных цепей двигателей и других устройств при автоматическом управлении

Контакторы имеют главные контакты и вспомогательные, или блок-контакты, служащие для коммутации вспомогательных цепей сигнализации или цепей обмоток других контакторов, реле. Контак­торы бывают постоянного и переменного тока, одно- и многополюс­ные.

Магнитные пускатели представляют собой контакторы, которые служат главным образом для дистанционного управления трехфаз­ными асинхронными двигателями и делятся на нереверсивные и ре­версивные.

Электродвигательные исполнительные устройства. В них ис­пользуют электродвигатели постоянного и переменного тока. Боль­шинство электродвигательных исполнительных устройств работает в режиме, когда скорость перемещения не зависит от величины откло­нения регулируемого параметра от заданного значения.

Асинхронный электродвигатель. Асинхронный электродвигатель является машиной переменного тока, состоящей из статора и ротора.

Статор представляет собой полый цилиндр, составленный из лис­тов электротехнической стали; листы имеют форму колец со штампо­ванными пазами. В пазах, находящихся на внутренней поверхности цилиндра, укладывается статорная обмотка. Эта обмотка выполняет­ся так, что при включении ее в сеть трехфазного переменного тока в расточке статора (внутри цилиндра) образуется магнитное поле, вра­щающееся вокруг оси статора с постоянной скоростью.

Ротор машины имеет вид цилиндра, набранного из круглых листов стали. У поверхности ротора вдоль его образующих располо­жены проводники, составляющие обмотку ротора Проводники пред­ставляют собой замкнутые в кольцо провода уложенные в пазы ро­тора. Обмотка ротора не связана с внешней электрической сетью -между ротором и статором имеется воздушный зазор.

У асинхронного двигателя движущий момент возникает в роторе как результат взаимодействия вращающегося магнитного потока с индуктируемыми им в роторе токами Этот момент увлекает ротор в сторону вращения магнитного потока.

Применяются трехфазные, двухфазные и однофазные асинхрон­ные машины.

Схема управления трехфазным асинхронным короткозамкнутым электродвигателем приведена на рис 12,3

Рисунок 12.3- Схема управле­ния трехфазным асинхронным короткозамкнутым электродвигате­лем.

Предохранители PR служат для защиты схемы от коротких замы­каний и перегрева схемы управле­ния. Двигатель М подключается к фазам ABC. Для защиты электро­двигателя от значительных пере­грузок, заклинивания ротора, а также от коротких замыканий во все фазы питания включаются ка­тушки реле максимального тока КА_1, КА₂ и КА₃, а их размыкающие контакты КА₁, КА₂ и КА₃ соеди­няются последовательно с катуш­кой L магнитного пускателя на­пряжения сети питании через контакты электромагнитного пускателя КМ. Контакт управления КУ принадлежит системе управления и в зависимости от ее состояния может быть разомкнут или замкнут.

Приведенная схема может работать в ручном и автоматическом режиме.

При ручном управлении электродвигателем нажимается кнопка пуска S₂, в результате чего срабатывает магнитный пускатель КМ, который своими контактами подключает все три фазы питания через реле максимального тока КА₁ КА₂, КА₃ к двигателю М. Двигатель начинает работать и работает до тех пор, пока нажата кнопка S₂. В ав­томатическом режиме двигатель включает контактом КУ системы управления, который включен параллельно кнопке пуска S₂, и рабо­тает до тех пор, пока контакт КУ замкнут системой управления.

В случае возникновения аварийных режимов, например, останов­ки ротора вследствие увеличения механической нагрузки рабочего органа, увеличивается ток статора двигателя и срабатывают реле мак­симального тока КА₁ КА₂, КА₃, которые своими контактами отклю­чают катушку магнитного пускателя КМ, а та в свою очередь своими контактами отключает все три фазы напряжении питания от электро­двигателя.

Однофазные асинхронные двигатели. Однофазные асинхронные двигатели имеют одну статорную обмотку. Она выполняется аналогично одной фазе обмотки трехфазного статора, но заполняет не 1/3 окружности статора, а несколько большую часть - до 2/3 его окруж­ности. Схема включения однофазного двигателя приведена на рис12,4.

Рисунок 12.4- схема включения од­нофазного двигателя.

В большинстве случаев для пуска однофазных двигателей предусматрива­ется пусковая обмотка; она укладывается в пазах статора, свободных от рабочей обмотки, причем ось пусковой обмотки ориентируется перпендикулярно оси ра­бочей обмотки. Пусковая обмотка вклю­чает через добавочное активное или ре­активное сопротивление с тем, чтобы ток в ней был сдвинут по фазе относительно тока в рабочей обмотке РО. Две взаимно перпендикулярные обмотки, питаемые токами, сдвинутыми по фазе, создают вращающееся магнитное поле.

Наиболее благоприятны условия для получения вращающегося поля включением пусковой обмотки через конденсатор С. Под дейст­вием вращающегося поля двигатель разгоняется, затем пусковая об­мотка отключается, так как она не рассчитана на длительный ток. Для пуска двигателя в обратном направлении необходимо поменять мес­тами зажимы пусковой или рабочей обмотки.

Однофазные двигатели имеют значительно меньший коэффици­ент полезного действия. Поэтому они используются только в случаях, где требуется сравнительно небольшая мощность - единицы и десят­ки Ватт. Промышленность выпускает асинхронные двигатели от единиц ватт до нескольких сотен киловатт на напряжение 220, 380, 660 В в различном исполнении: с повышенным пусковым моментом, с повы­шенным скольжением, многоскоростные.

Электродвигатели постоянного тока. Электродвигатели посто­янного тока служат для привода различных установок и механизмов, в которых требуется простое и экономичное регулирование скорости вращения в широком диапазоне. Для получения энергии постоянного тока разработаны и широко применяются различные преобразователи переменного тока в постоянный.

Двигатель постоянного тока состоит из корпуса, на котором кре­пятся два диаметрально расположенные полюса с обмотками полю­сов (возбуждения).

Полюса установлены таким образом, чтобы они вместе с корпу­сом составляли единую магнитную систему N-S. Вместо обмоток иногда применяют помтоянные магниты. Внутри корпуса по его оси находится якорь-цилиндр с обмоткой, выходной вал которого враща­ется в подшипниках. Обмотка якоря представляет собой равномерно распределенные по окружности витки, концы которых выходят нару­жу и подсоединяются к источнику постоянного напряжения через коллектор.

Частота вращения якоря n зависит от напряжения на якоре U_я, магнитного потока Ф обмотки возбуждения, зависящего от напряже­нии, тока и сопротивления обмотки возбуждения: n=U_я/кФ,

где к - конструктивная постоянная электродвигателя.

Электродвигатели постоянного тока могут выполняться с незави­симым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждени­ем, рис. 12.5.

Рисунок 12.5- Схемы включения электродвигателей постоянного тока: с независимым (а), параллельным (б) и последовательным (в) возбу­ждением.

Независимое включение обмотки возбуждения предполагает от­дельные источники питания для якоря U и обмотки возбуждении U_OB. Обе обмотки включает независимо друг от друга: якорная обмотка через отдельные сопротивления R_я, обмотка возбуждения - через сопротивление R_oв. Токи в обмотках, а значит и скорость и вращаю­щийся момент двигателя могут регулироваться сопротивлениями не­зависимо друг от друга.

При параллельном включением используется один источник пи­тания U, а обе обмотки включается независимо друг от друг: якорная обмотка через отдельные сопротивления R_я, обмотка возбуждения -через сопротивление R_ов. Требуется только один источник питания. Регулировки двигателя производятся друг от друга сопротивлениями R_я и R_ов

При последовательном включении обе обмотки включается по­следовательно через сопротивление R. Регулировка токов обмотки и якоря и обмотки возбуждения производится одновременно.

Смешанное включение использует параллельное и последова­тельное включение обмоток одновременно.

В зависимости от способа включения обмотки возбуждения по­лучают различные механические характеристики электродвигателя.

Вместо обмотки возбуждения при мощностях до нескольких де­сятков Ватт применяют постоянные магниты.

При отработке сигналов управления в автоматизированных сис­темах часто приходиться приводить в движение рабочие органы с большим начальным моментом сопротивления. Для этого в качестве исполнительных устройств используются высокомоментные двигате­ли.

Рисунок 12.6 - Устройство высокомоментного двигателя: 1- механическая повышающая передача; 2- револьвер; 3- тахогенератор; 4- щетки; 5- коллектор; 6- якорь; 7- цилиндрический корпус; 8- ферритовые сегменты; 9- электромаг­нитный тормоз.

Конструкция высокомоментного двигателя с ферритовыми маг­нитами представлена на рис. 12.6. Ферритовые сегменты 8 многопо­люсной магнитной системы располагаются в цилиндрическом корпу­се 7 и охватывают якорь 6. На валу двигателя для подачи электриче­ского напряжения питания расположен коллектор 5 со щетками 4. Двигатель снабжен электромагнитным тормозом 9 для уменьшения холостого хода (выбега вала двигателя) и встроенным тахогенерато-ром 3 для контроля скорости вращения двигателя. Для осуществления обратной связи по перемещению рабочего органа имеется револьвер 2, который связан с валом двигателя прецизионной повышающей пе­редачей 1. Применение постоянных магнитов упрощает коммутацию электрического тока в машине и обеспечивает равномерное распре­деление магнитной индукции в зазоре. Двигатели сохраняют равно­мерное вращение на частотах до ОД об/мин., а время пуска и тормо­жения - минимальны.

Гидравлические исполнительные устройства. Они преобразует энергию потока рабочей жидкости в энергию механического движе­ния поршня (поступательное движение) или ротора (вращательное движение) и состоят из двух элементов: управляющего и исполни­тельного.

Поток рабочей жидкости создается специальным гидравличе­ским насосом, приводимым в движение электрическим или иным двигателем.

В зависимости от вида управляющего элемента различают гид­равлические исполнительные устройства с золотниковым и объем­ным регулированием.

Гидравлические исполнительные механизмы с объемным регу­лированием управляются за счет изменения производительности на­соса, а золотниковые - с помощью перекрываемых отверстий. Золот­ник управляется электромагнитным приводом. Схема гидравлическо­го исполнительного устройства приведена на рис. 12.7.

Оно состоит из цилиндра 7 с поршнем 2, соединенным со штоком 4, который приводит в движение рабочий орган. Цилиндр имеет два отверстия 5 и 6 через которые насосом подается рабочая жидкость (масло). Масляный насос подает через отверстие 5 масло с расходом Q в полость цилиндра 1, которое создает в нем давление Р_б. Благода­ря этому давлению поршень 2 перемещается вправо. При этом масло из полости 3 выходит через отверстие 6. Если масло подается в по­лость 3 через отверстие 6, то поршень под действием давления Р_а пе­ремещается влево.

Рисунок 12.7- Схема гидравлического исполнительного устройства: 1-левая полость; 2-поршень; 3- правая полость; 4- шток поршня; 5,6- вход рабочей жид­кости; 7- цилиндр.

Скорость перемещения поршня исполнительного механизма за­висит от площади F поршня и расхода Q рабочей жидкости. Вместо поршня используют иногда эластичную мембрану, закрепленную в центре цилиндра. Мембранные гидравлические исполнительные уст­ройства имеют небольшой ход штока - не более нескольких санти­метров. Поршневые гидравлические исполнительные устройства мо­гут иметь ход поршня до нескольких десятков сантиметров.

Гидравлические исполнительные устройства обладают очень большим быстродействием и выходной мощностью, потому их при­меняют в системах автоматизации мобильных машин и агрегатов. Усилия, развиваемые гидравлическими исполнительными устройст­вами, могут достигать нескольких десятков тонн. Однако их приме­нение непосредственно в оборудовании переработки продукции ино­гда ограничивают по санитарным условиям - масло, используемое в подобных устройствах, может попасть непосредственно в пищевой продукт.

Пневматические исполнительные механизмы. По устройству ана­логичны гидравлическим. Они получили распространение благодаря высокой надежности, простоте конструкции и возможности получе­ния усилий до нескольких тонн. Усилия, развиваемые пневматиче­ским приводом, сравнительно невелики. Это связано с тем, что сило­вое давление воздуха в промышленных пневмосетях составляет обычно 0,4...0,6 МПа.

Обычно используют поршневые и мембранные исполнительные механизмы, так как они просты по конструкции и имеют высокую надежность. По сравнению с электрическим приводом поступательного движения, развивающим те же усилия, пневмопривод значительно легче, дешевле и проще по конструкции.

Широкое внедрение технических средств пневмоавтоматики объясняется высокой пожаро - и взрывобезопасностыо, надежностьностью и дешевизной.

Общие недостатки пневматических и гидравлических исполнительных устройств: сложность операций по их наладке и, главное необходимость в специальных компрессорных (насосных) установок для их питания.