Электрические исполнительные устройства

Исполнительные устройства, преобразующие энергию электрического тока в механическую энергию с целью воздействия на объект управления или его органы, назы­ваются электрическими исполнительными устройствами.

Электрические исполнительные устройства делятся на электромагнитные и электродвигательные. К электромагнитным исполнительным устройствам относятся реле, контакторы, электромагниты, электромагнитные вентили и клапаны, электромагнитные муфты, к электродвигательным — двигатели постоянного тока, 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.

Исполнительные устройства с электромагнитным приводом

Исполнительные устройства с электромагнитным приводом представляет собой совокупность электромагнита и перемещаемой им механической нагрузки (заслонки, задвижки, клапана, вентиля и т. д.). Они делятся на две группы.

В устройствах первой группы электромагнит рассчитан на длительное пропускание рабочего тока. Такие устройства состоят из электромагнита, который при срабатывании втягивает шток органа управления и возвратной пружины. Отпускание происходит под действием возвратной пружины при отключении электромагнита.

. В устройствах второй группы магнит не рассчитан на длительное пропускание рабочего тока. В этом случае кроме основного электромагнита имеется вспомогательный электромагнит, с помощью которого осуществляется управление основным электромагнитом.

Такая конструкция позволяет резко уменьшить габариты электромагнитов, так как они работают в кратковременном режиме и, следовательно, плотность тока может быть резко увеличена. Таким образом, для создания одной и той же МДС у катушки, работающей в кратковременном режиме, число витков значительно меньше, чем у катушки, работающей в длительном режиме. Электромагниты могут быть подразделены:

1. по роду тока — на электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока применяются для быстрого перемещения подвижных элементов станков, грузозахватных приспособлений, размыкания тормозов механизмов и т. д. Они предназначаются для кратковременной работы и способны развивать значительные усилия. Электромагниты переменного тока, как правило, развивают меньшие мощности, поэтому они используются в маломощных цепях;

2. по способу действия — на удерживающие и притягивающие. К удерживающим магнитам относятся, например, электромагнитные плиты плоскошлифовальных станков, служащие для магнитного закрепления обрабатываемых деталей. Притягивающие электромагниты служат для сообщения определенного движения подвижным частям;

3. по значению хода якоря — на длинноходовые и короткоходовые. У длинноходовых магнитов ход якоря достигает 150 мм, а у короткоходовых — 2—4,5 мм;

4. по характеру движения якоря — на электромагниты с поступательным движением якоря и с поворотным якорем;

5. по способу включения — на электромагниты с параллельным и последовательным включением обмотки в питающую сеть.

Конструкции электромагнитов весьма разнообразны, но всегда основными частями электромагнита являются неподвижный стальной магнитопровод с расположенной на нем обмоткой и подвижный якорь. При подключении катушки электромагнита к источнику питания возникает магнитный поток, который создает электромагнитное усилие, вызывающее притяжение или поворот якоря.

Рассмотрим схемы исполнительных электромагнитных устройств, рассчитанных на длительное обтекание катушек током. Они работают в схемах двухпозиционного регулирования и дистанционного управления, широко используются при автоматизации холодильных установок в качестве электромагнитных вентилей прямого действия с диаметром условного прохода не более 10 мм и непрямого действия с диаметром услов­ного прохода 25—65 мм. Они состоят из электромагнита (соленоида) с возвратной пружиной, якорь которого управляет открытием и закрытием регулирующего органа.

Тяговое усилие, развиваемое электромагнитом соленоида, определяют по изменению энергии магнитной системы во время движения якоря.

Рассчитаем количество энергии, расходуемой на перемещение якоря,

Е = (Е1-Е2) – Е3

где Е — энергия, расходуемая на перемещение якоря, Дж;

Е1—энергия поля электромагнита до начала движения. Дж;

E2 — энергия поля, поступаю­щая от источника питания при движении якоря, Дж;

Е3 — энергия поля электромагнита, остающаяся по окончании движения якоря, Дж.

Тяговое усилие найдем как производную от величины энергии магнитного поля в воздушном зазоре по перемещению якоря:

где Fт — тяговое усилие, Н;

∆E— приращение энергии, Дж;

∆x — приращение перемещения якоря, м;

I — сила тока в обмотке, A;

W — число витков обмотки;

λm —магнитная проводимость воздушного зазора, Г;

х— перемещение якоря, м.

Магнитная проводимость воздушного зазора

где μ₀ — магнитная постоянная (для воздуха μ₀ = 4π • ^; Г/м).

Производная

где S — площадь сечения магнитного потока, м².

Подставляя значение в уравнение тягового усилия, по­лучим

где Ф — магнитный поток Вб;

В — магнитная индукция. Т.

Из полученного уравнения следует, что для увеличения тягового усилия необходимо увеличить сечение магнитопровода или число витков в обмотке электромагнита.

Электромагнитный исполнительный механизм с регулирующим органом называют электромагнитным вентилем. По конструкции электромагнитные вентили бывают прямого и непрямого действия. В электромагнитном вентиле прямого действия (рисунок. 1, а) при подаче напряжения Ц_п питания в обмотку электромагнита якорь втягивается, открывая клапан. Нормальная работа при открытии клапана обеспечивается, если

,

где FB —сила веса якоря, Н; .F_Tp — сила трения, Н.

В электромагнитном вентиле непрямого действия (рисунок.1,б) электромагнитом открывается вспомогательный клапан.

При отсутствии напряжения якорь под действием собственного веса опущен вниз и закрывает вспомогательный клапан. Основной клапан закрыт под действием пружины. При этом давление над мембраной равно входному р_вк, что обеспечивается калиброванным отверстием в основном клапане.

Рисунок 1. Схемы электромагнитных вентилей:

а — прямого действия; б — непрямого действия: 1 — якорь; 2 —электромагнитная катуш­ка; 3 — корпус; 4 — основной клапан: 5 — вспомогательный клапан; 6 — канал подвода среды к вспомогательному клапану: 7 — седло клапана; 8 — калибровочное отверстие; 9~ пружина; 10 — мембрана

При подаче напряжения якорь втягивается в катушку, открывая вспомогательный клапан, и надмембранная полость через него соединяется с выходом. Сила, действующая при этом на основной клапан снизу вверх, будет

,

где F — сила, действующая на клапан, Н;

— давление среды соответственно на входе и выходе, Па;

S_M — эффективная площадь поверхности мембраны, м²;

Sк — площадь поверхности уплотнения клапана, м^:;

F_П — сила упругости пружины, Н;

FB — вес клапана, Н.

Под действием F при открытом вспомогательном клапане основной клапан открывается. При снятии напряжения Uп ос­новной клапан закрывается.

Электромагнитный клапан с защелкой относится ко второй группе удерживающих устройств.

В отличие от электромагнитных клапанов первой группы, клапан СВВ рассчитан на кратковременный режим работы, так как после открытия клапана последний удерживается в процессе работы в открытом положении механической защёлкой. Для закрытия клапана необходимо освободить защёлку с помощью специального электромагнита защёлки. Таким образом, в конструкции электромагнитных клапанов второй группы имеются два магнита – силовой и электромагнит защёлки. Соответственно для управления электромагнитами необходимо двухконтактное электрическое устройство. В системах двухпозиционного регулирования электромагнитный клапан с защёлкой и управляющим устройством в виде двухконтактной группы вторичного преобразователя представляет собой релейный элемент с зоной неоднозначности. Последняя определяется установкой задатчиков минимального и максимального значений регулируемого параметра.

Конструкция электромагнитного клапана с защелкой типа СВВ приведена на рисунке 2,а. Клапан с защелкой состоит из корпуса 1 с седлом, основного запорного золотника 2, разгрузочного золотника 3 с ручкой подъема 5 и возвратной пружиной 4, стойки 6, на которой крепится электромагнит при помощи шпилек. Между стойкой клапана и фланцем электромагнита проложен теплоизоляционный экран из асбестокартона. Электромагнитный привод в сборе состоит из опорной тарелки и пружины 14, якоря 8 силового магнита, катушки 7 силового электромагнита, штока клапана 9, пружины18, сердечника электромагнита защелки 16, штифта с кольцевой проточкой 17, шариков 19, опорного кольца 11, кнопки ручного управления 15, якоря электромагнита защелки 12, возвратных пружин 20, катушки электромагнита защелки 10 и блок- - контактов 13, переключаемых скобой 21.

При подъеме клапана с помощью ручки подъема 5 или включением силового электромагнита 7 его якорь 8 перемещается вверх. Одновременно с якорем поднимается шток 9 и связанный с ним штифт 17 с шариками 19. под действием пружины 18 штифт выталкивает шарики из канала сердечника в его расширенную часть и фиксируется в этом положении при опускании.

При закрытии клапана нажатием на кнопку 15 или включением электромагнита защелки 10 штифт 17 опускается и как только кольцевая канавка штифта сравняется с уровнем расположения шариков, последние выкатываются в канавку и якорь под действием собственной массы и силы пружины 14 опустится, закрывая клапан.

Электромагнитные клапаны второй группы, так же как и первой, имеют разгрузочные золотники, что позволяет существенно уменьшить габариты электромагнитов.

Электромагниты силовой и защелки изготавливаются для работы на постоянном токе и при наличии переменного тока включаются через специальный выпрямитель. Допускаемое число включений – не более 30 в час и при длительной работе.

Рисунок 2. Электромагнитный клапан с защелкой, тип СВВ.

На рисунке 2. приведены блок-схемы управления клапаном и положение блок- контактов - KB (I, II, III, IV, V, VI). На рисунке 2.а при закрытом клапане и на рисунке 2.б при открытом клапане. Кнопки КЗ (закрыто) и КО (открыто) служат для операторного управления клапаном.

На рисунке 3 показана электрическая схема включения обмоток силового электромагнита и электромагнита защелки.

Рисунок 3. Электрическая схема управления электромагнитным клапаном с защелкой.

При подаче сигнала на открытие клапана замыкается контакт «Больше», включается обмотка силового электромагнита ЭС, якорь втягивается в катушку электромагнита и полностью открывает клапан. Одновременно защелка фиксирует якорь в этом положении, а блокировочный контакт КС размыкается, и по обмотке силового контакта ток не течет.

При подаче сигнала на закрытие клапана замыкается контакт «Меньше», по обмотке электромагнита защелки ЭЗ пойдет ток. Электромагнит освободит защелку, якорь опустится вниз, клапан закроется. Одновременно блокировочный контакт защелки КЗ разомкнется, а блокировочный контакт силового электромагнита КС замкнется, подготавливая обмотку силового электромагнита к выключению. Кнопки К1 и К2 служат для операторного управления клапаном. Питание цепи силового электромагнита и электромагнита защелки осуществляется от сети переменного тока напряжением 220 В.