6.3. Загальні відомості про виконавчі елементи
Виконавчий елемент (ВЕ) - функціональний елемент АСК, що здійснює вплив на об'єкт керування шляхом зміни потоку енергії й потоку матеріалів, що надходять на об'єкт. Виконавчі елементи в основному бувають двох типів:
с механічним двигуном (сервомотор, серводвигун або сервопривод), у цьому випадку виконавчий елемент робить механічне переміщення регулювального органа;
с електричним виходом, у цьому випадку вплив, що безпосередньо прикладається до об'єкта регулювання, має електричну природу.
Наприклад, у регуляторі напруги генератора постійного струму регулюючим впливом є напруга порушення, одержуване від підсилювача.
Залежно від характеру об'єкта й виду допоміжної енергії, застосовуваної в системі автоматичного керування, роль виконавчих елементів виконують самі різні конструктивні елементи: електронні, електромашинні, магнітні або напівпровідникові підсилювачі, реле, пневматичні або гідравлічні сервомотори й ін.
Динамічні характеристики виконавчих елементів з механічним виходом відрізняються значно більшою інерційністю, чому елементи з електричним виходом. Часто виконавчі елементи 2-го типу служать приводом виконавчих елементів 1-го типу.
Сервоелектродвигуни, застосовувані в якості виконавчих елементів з механічним виходом, відрізняються спеціальним виконанням, що забезпечують знижену інерційність (подовженим ротором малого діаметра, порожнім ротором). Значно меншу інерційність при тій же потужності мають гідравлічні й пневматичні серводвигуни.
Виконавчий механізм (ВМ) або сервопривод - виконавчий елемент із механічним виходом. ЇМ класифікують по призначенню й типу керованих елементів, виду здійснюваних переміщень, роду застосовуваної енергії.
ЇМ призначають для привода:
елементів, що регулюють потоки енергії, рідини, газу, сипучих і переміщуваних твердих тіл (реостатів, клапанів, засувок і заслінок, насосів, шлагбаумів і т.д.);
елементів, що стежать систем (копіювальних верстатів, маніпуляторів, авто компенсаторів, що регулюють і інших пристроїв);
кермових пристроїв транспортних об'єктів;
особливих елементів систем керування (противаг у вантажопідйомних спорудженнях, затискних автоматичних пристроїв і т.п.).
До контрольних елементів ВМ ставляться:
механізм зворотного зв'язку, що визначає характеристику регулятора або, що забезпечує передачу сигналу на дистанційний покажчик положення ВМ;
кінцеві або шляхові вимикачі, які зупиняють ВМ у крайніх, а іноді й проміжних положеннях (трипозиційний ВМ), і кінцеві вимикачі, у деяких випадках виконуючі сигнальні функції;
вимірник обертаючого моменту на вихідній осі ВМ, що забезпечує вимикання двигуна або його проковзування в спеціальній муфті після досягнення гранично припустимого моменту, що необхідно для одержання запірного або затискної дії або запобігання його від аварій у випадку влучення під керований пристрій сторонніх предметів;
гальмовий пристрій швидкохідних двигунів для боротьби з інерцією при зупинці;
засувка з вимикачем головного соленоїда й спускне, що розчіплює пристрій у виконавчому механізмі із соленоїдами великої потужності.
У більшості електричних ЇМ потужність електродвигунів 10... 1000 Вт. Пневматичні НИМ працюють при тисках до 0,6 МПа, а гідравлічні - до 3 МПа. У деяких випадках потужність досягає десятків кіловатів, а тиск - 10 МПа. ЇМ звичайно розбудовують на вихідному валу обертаючий момент від 1 до 100 Н·м при кількості робочих обертів від 0,25 до 30 с-1 або підсилення від 100 до 5000 Н при ходе от 25 до 750 мм.
У приладах точної механіки застосовують ЇМ з меншими обертаючими моментами, що й переставляють зусиллями. Час перестановки пристрою керованого ЇМ з одного крайнього положення в інше звичайно перебуває в межах 5... 120 с. Час перестановки більш 120 з можна побільшати за допомогою регуляторів переривчастого (крокового) дії, щоб не ускладнювати надмірно редуктор. Час перестановки соленоїдних, а також дозуючих і аварійних ЇМ доходить до часток секунд.
Виконавчий механізм електричний (ВМЕ) - ВМ у якому переміщення регулювального органа проводиться за рахунок електричної енергії. Виділяють два базових типи:
с приводом від електродвигуна (найбільше широко поширені в схемах загальнопромислової автоматики);
с приводом від електромагніту (звичайно соленоїда).
В ВМЕ застосовуються асинхронні двигуни. Для виконавчих пристроїв малої потужності - двофазні з короткозамкненим або порожнім ротором, для могутніших - трифазні з короткозамкненим або масивним ротором. Для зменшення вибігу двигуна й поліпшення якості регулювання використовується електричне гальмування або електромагнітні гальма, які накладаються при знятті із двигуна напруги живлення.
Керування ВМЕ за допомогою відповідних зворотних зв'язків можна побудувати так, щоб переміщення регулювального органа або швидкість його руху змінювалися пропорційно сигналу керування.
Конструктивно ВМЕ виконуються, як правило, з обертовим рухом вихідного вала й рідше з поступальним переміщенням вихідного штока. У системах загальнопромислової автоматики для привода заслінок, кранів, шиберів і інших пристроїв найбільше часто застосовуються однооборотні ВМЕ, у яких поворот вихідного вала становить 120... 170. За допомогою багатооборотних ВМЕ керують регулювальними органами (запірні вентилі, засувки).
Блок-схема електродвигунного ВМ представлена на рис.6.15. Вона працює в такий спосіб. Двигун Д через редуктор Р переміщає регулювальний орган РО. Сигнал Uc, що надходить на вхід ЭИМ, має звичайно недостатню потужність для керування двигуном, тому він попередньо підсилюється підсилювачем У. Кінцеві вимикачі KB служать для обмеження переміщення РО. Оператор може встановлювати РО за допомогою пристрою дистанційного керування ДУ, контролюючи його положення приладом П, а при несправності ДУ - штурвалом ручного керування РУ. Датчики зворотного зв'язку по положенню ОСП, виконувані у вигляді потенціометрів, індуктивних датчиків або лінійних індукційних потенціометрів, і датчики зворотному зв'язка по швидкості ОСС, виконувані у вигляді тахогенераторів постійного або змінного токи, служать для введення додаткових сигналів, необхідних для одержання необхідних характеристик від ВМЕ.
|
Рис. 6.15. Блок-схема електродвигунного ВМ: Д – двигун; Р – редуктор; РО – регулювальний орган; У – підсилювач; КВ – кінцевий вимикач; ДУ – пристрій дистанційного керування; ЕМ – електромагніт; ООС, ОСП – датчики зворотнього зв’язку по швидкості та по положенню; П - контрольний прилад. |
Номінальний момент М на вихідному валу й час T повного оберту вихідного вала, тобто швидкодія, є основними характеристиками ВМЕ. Потужність на валу двигуна Р, необхідна для забезпечення заданих часу Т и моменту М, визначається по формулі
де η - ККД редуктора.
Інерційність привода ВМЕ (час від початку руху регулювального органа до встановлення повної швидкості) залежить від співвідношення між пусковим моментом двигуна й моментом інерції привода (Мп 2...2,5 Мн). Важливою характеристикою ВМЕ є час запізнювання - час від моменту подачі сигналу до початку обертання вихідного вала.