§ 14. Исполнительные устройства с электродвигателями

Исполнительный механизм — одно из последних звеньев в системе автоматического регулирования. Он предназна­чен для перемещения регулирующего органа в соответствии с уп­равляющим сигналом. Мощности управляющего сигнала обычно недостаточно для непосредственного перемещения регулирующего органа, поэтому исполнительный механизм усиливает управляю­щий сигнал по мощности за счет внешнего источника энергии.

Регулирующим органом называют звено исполнитель­ного устройства, которое представляет собой переменное гидрав­лическое сопротивление и воздействует на расход среды благодаря изменению своего проходного сечения. С этой целью применяют регулирующие дросселирующие органы — плунжеры, поворотные заслонки, шиберы, шланговые и диафрагменные дросселирующие органы.

Регулирующий орган непосредственно воздействует на объект управления. Для пропорционального и позиционного регулирова­ния в качестве регулирующих органов широко применяют заслонки, задвижки, клапаны и др. В следящих системах исполнительный механизм воздействует непосредственно на объект. Таким образом,

исполнительный механизм, преобразуя управляющий сигнал, пе­ремещает орган управления.

Исполнительные элементы должны отвечать заданным техниче­ским условиям, а именно: виду применяемой энергии, значениям и характеру требуемого усилия, мощности, моменту, допускаемой инерционности, желаемым габаритам и массе, надежности, рабо­чим характеристикам.

Исполнительные механизмы классифицируют по следующим

признакам:

перемещение регулирующего органа — прямоходные, поворот­ные;

вид потребляемой энергии — гидравлические, пневматические, электрические, комбинированные (электрогидравлические, элек­тропневматические) ;

конструктивное исполнение — электрические (с приводами: от электродвигателя, от электромагнита, от электромагнитных муфт), гидравлические (с приводами: поршневым, плунжерным, от гид­родвигателя), пневматическое (с приводами: поршневым, плун­жерным, диафрагменным, от пневмодвигателя). Регулирующие ор­ганы оцениваются конструктивной и расходной характеристиками. Регулирующие органы для сыпучих материалов строят на базе шнековых, дисковых, ленточных, лопастных, скребковых и дру­гих питателей.

Исполнительные механизмы с электродвигателями постоянного тока. Конструктивно их выполняют с вращательным движением выходного вала, реже — с поступательным перемещением выход­ного штока. В однооборотных исполнительных механиз­мах с углом поворота выходного вала 120—270° используют такие регулирующие органы, как заслонки, упоры, краны, шиберы. Многооборотные устройства используют для привода запорных вентилей, дросселей, задвижек, шнеков, лопастных, скребковых питателей.

У постоянно вращающихся исполнительных механизмов кру­тящий момент от вала электродвигателя передается к регулирую­щему органу через редукторы, электромагнитные муфты и другие преобразователи.

Мощность электродвигателя исполнительного механизма для перемещения регулирующего органа с требуемой скоростью и уско­рением определится как

где Р_дв — требуемая мощность; М_ст — статический момент; — КПД редуктора; I_н — момент инерции нагрузки, включая момент инерции редуктора; I_дв — момент инерции электродвигателя; i_p — передаточное отношение редуктора; _н — угловая скорость вра­щения нагрузки; _н — угловое ускорение нагрузки.

Принимая =1, определим требуемый момент на валу элек­тродвигателя

Продифференцировав выражение (4) по i и приравняв нулю, определим оптимальное передаточное отношение редуктора, при котором требуется минимальный момент на валу электродвигателя для получения заданного ускорения нагрузки

В уравнениях динамики электродвигателей постоянного тока для малых отклонений переменных за выходную величину прини­маем изменение угловой скорости двигателя .

Воздействия, вызывающие переходный процесс, могут осущест­влять преобразователи путем изменения напряжения на якоре е_{н я} или обмотке возбуждения е_{н в} и изменения постоянной со­ставляющей статического момента М_{С 0} (рис. 30, а). Характери­стики линеаризуем в зоне установившегося режима — точке А (рис. 30, б). Уравнение цепи якоря: е_{н я} = е_я + i_я R_я+ L_яp i_я.

Подставив i_P0 из формулы (5) в (3), получим

По данному расчетному значению выбирается электродвигатель

где М_{дв. ном} — номинальный момент электродвигателя по пас­портным данным; _{дв. ном} — номинальная скорость; _{н mах} —мак­симальная скорость нагрузки.

Выбранный электродвигатель проверяют по моменту и скорости

М_{дв. ном} М_T и _{дв. ном н mах} i_P0.

Электродвигатели постоянного тока целесообразно применять для объектов с толчкообразной нагрузкой и если требуется широ­кий диапазон плавного регулирования скорости. Достаточно вы­сокое быстродействие и КПД двигателей обусловили их широкое применение с комплектными тиристорными преобразователями в системах регулирования подачи шпалорезных установок, лесо­пильных рам, различных деревообрабатывающих станков.

Регулирование скорости двигателей происходит за счет изме­нения приложенного к якорю напряжения или изменения напря­жения подводимого к обмотке возбуждения. Возможно совместное регулирование, которое называют двухзонным.

Уравнения семейства механических характеристик (М_дв) и скоростных (U_я) двигателя постоянного тока с независимым возбуждением имеют вид

где — угловая скорость; М_дв — вращающий момент на валу электродвигателя; U_я — напряжение, приложенное к якорю; R_я — сопротивление якорной цепи; М_пуск — пусковой момент; М_ст — статический момент нагрузки; С_е — коэффициент ЭДС; К_м — ко­эффициент вращающего момента.

Перепишем:

Уравнение цепи возбуждения: е_{н в} = i _в R _в + L _в p i _в (6) Уравнение равновесия моментов: Ip = M— М_С. Решив совместно уравнения (6), получим уравнения динамики двигателя:

где Т_м — IK_м — электромеханическая постоянная времени; К_м = =  _с/ Мс_о — коэффициент передачи по статическому моменту; К_Д = _0уст / е_{н я} —коэффициент передачи по управляющему воздействию; К_ст= М'/ — коэффициент скоростного трения.

Перейдя к изображениям, уравнение (8) можно записать

где W₁ (р), W₂ (р) — передаточные функции двигателя по управ­ляющим воздействиям по цепи якоря и по цепи возбуждения; W_f (p) — передаточная функция двигателя по возмущающему воз­действию по нагрузке.

Структурные схемы для этих воздействий представлены на рис. 30, в.

Исполнительные механизмы с двигателями переменного тока.

Двухфазные двигатели применяются в однооборотных исполнительных механизмах ДР, ПР, ИМ, ИМТ, КДУ и др. Они выпускаются с полым немагнитным и ферромагнитным коротко-замкнутым роторами. Принципиальная схема включения представ­лена на рис. 31, а. ИП — источник питания, оси обмотки управ­ления ОУ и обмотки возбуждения ОВ смещены на 90°, что обеспе­чивается конденсатором С.

Механические характеристики двухфазного двигателя (рис. 31, б) определяются экспериментально. Параметры емкости С указаны в технических данных двигателя. Механические характеристики = f (М) соответствуют определенному значению амплитуды U_y напряжения управления (U_y<U_y2<U_y3), U'_y = U_y2—U_y. Ап­проксимируя механические характеристики в точке рабочего ре­жима А, можно записать уравнение двигателя в приращениях:

где —коэффициенты передачи

двигателя соответственно по управляющему воздействию и по моменту.

Используя уравнение движения

где Т_M = IK_Д.М— электромеханическая постоянная времени дви­гателя.

Асинхронные трехфазные электродвигатели ис­пользуют в качестве постоянно вращающихся исполнительных ме-

и не учитывая инерционности цепи управления ввиду ее малости, запишем дифференциальное уравнение двигателя

Рис. 31. Двигатели переменного тока:

a — принципиальная схема включения двухфазного двигателя; б — его механические характеристики; в — принципиальная схема асинхронного трехфазного электродвигателя; г — его механические характеристики при измерении сопротивления в цепи ротора; д — характеристики электродвигателя при изменении частоты питающего напряжения; е — исполнительный механизм с двигателем переменного тока

ханизмов. Управление этими двигателями осуществляется путем использования добавочных сопротивлений в цепи ротора, измене­нием подводимого к статору напряжения или совместным измене­нием частоты и напряжения питания (рис. 31, в).

Для первого случая регулирования механические характери­стики описывают упрощенным уравнением

где М_Кр — критический момент; S = ( _о— )/ ₀ — скольжение: S_кр = R'₂/X_{K З} — критическое скольжение; X_{K З} — индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Приведенное полное активное сопротивление ротора R_2e = R'₂ при отсутствии дополнительного сопротивления. Рассматривая R'₂ как параметр управления, можно построить семейство механиче­ских характеристик (рис. 31, г) и учитывая, что R'2 = R'22—R'21 получим уравнение механической характеристики в приращениях:

Без учета электромагнитных процессов дифференциальное урав­нение двигателя

При частотном управлении (рис. 31, д) управляющим воздейст­вием является частота питающего напряжения /, которой соответст­вует синхронная скорость ₀ = 2 f₁/p.

Упрощенно динамика процессов описывается уравнением рав­новесия моментов (6) и зависимостью (10) момента двигателя М от скольжения S, если двигатель работает на спрямленном участке механической характеристики с нагрузкой от М = 0 до М = = 1,2 М_н. При этом

где T_{ф. э} = 1/( ₀S_кр) — фиктивная электромагнитная постоянная времени; М_ф = 2M_Kp/S_Kp — фиктивный момент при = 0; М_кр и S_кр — критические момент и скольжение для данной характери­стики.

где K_д.м = / М = _о/ М_ф—коэффициент передачи двигателя по моменту.

Структурная схема данного двигателя соответствует уравне­ниям (10) и (11) и идентична структурной схеме двигателей по­стоянного тока.

Переходя к приращениям в окрестности точки А и полагая, что S = ( ₀— )/ _о, получим

Агрегатные унифицированные исполнительные механизмы. При

решении задач автоматизации технологических процессов эконо­мически выгодно использовать универсальные регуляторы обще­промышленного назначения вместо создания специализированных устройств. Универсальные регуляторы и исполнительные механизмы изготовляют по нормам Государственной системы приборов (ГСП) для создания необходимых воздействий на объект.

Унификация входных и выходных сигналов позволяет сопря­жение устройств при создании агрегатных комплексов с широкими функциональными возможностями. Агрегатные исполнительные ме­ханизмы могут выполнять как простые операции (открыть—за­крыть), так и более сложные (многоступенчатое и пропорциональ­ное перемещение).

С приводом от асинхронных электродвигателей отечественная промышленность выпускает механизмы с постоянной скоростью, различаемые по числу оборотов выходного вала — однооборот-ные и многооборотные.

Однооборотными называют механизмы, у которых ра­бочий угол поворота выходного вала не превышает 360°, а чаще не более 180°. Наиболее распространены однооборотные исполни­тельные механизмы ДР, ПР, ИМ, ИМГ, КДУ, МЭК и др. У мно­гооборотных исполнительных механизмов выходной вал за цикл управления делает несколько оборотов. Применяют их обычно для управления задвижками и вентилями, требующими плотной затяжки.

Механизм ДР предназначен для двухпозиционного регулирования и имеет две модификации: с реверсивно поворачиваю­щимся (на угол до 180°) выходным валом и поступательно переме­щающимся штоком (ход 19 мм). Асинхронный электродвигатель через редуктор приводит в движение вал, соединенный с рабочим органом, наличие блокировочных устройств позволяет через каж­дые 180° поворота вала отключать электродвигатель, что дает воз­можность открывать или закрывать рабочий орган регулятора.

Механизм ПР отличается от ДР наличием двух приводных дви­гателей с общим валом, но вращающихся в противоположные сто­роны. На выходном валу механизмов типа ПР установлены конеч­ные выключатели, ограничивающие угол поворота вала, и реостат, который может быть использован для дистанционного контроля или обратной связи. Механизм ПР предназначен для статического регулирования.

Механизм ИМ (рис. 31, е) — устройство, также предназначен­ное для статического регулирования. Механизм типа ИМ-2/120 приводится от двухфазного реверсивного конденсаторного двига­теля через редуктор. Изменение направления вращения достигается переключением конденсатора С из цепи обмотки W1 в цепь обмотки W2. Эти механизмы снабжены реостатом обратной связи R3 и штур­валом ручной настройки RH.

На валу с кривошипом укреплены два кулачка, воздействую­щие в крайних положениях на конечные выключатели SQ1, SQ2

и движок сопротивления R3. Наибольший угол поворота — 120° Сопротивление R3 используется для сигнализации о положении регулирующего органа.