3 Технічна структура автоматичного регулятора

Автоматичний регулятор складається з наступних технічних пристроїв (рисунок 3.1):

1) задаючого пристрою (ЗП);

2) елемента порівняння (ЕП);

3) командно-підсилюючого пристрою (КПП). При технічній реалізації АР можливе об’єднання ЕП і КПП в один регулюючий пристрій (РП);

4) підсилювача потужності (ПП);

5) виконавчого механізму (ВМ).

Рисунок 3.1 – Структурна схема автоматичного регулятора

Задаючий пристрій призначений для формування сигналу, що відповідає заданому значенню регульованої величини. Фізична природа сигналу завдання повинна бути такою ж, як і сигналу від вимірюючого перетворювача.

Вимоги до ЗП:

1) висока стабільність у часі вихідного сигналу z(t):

2) широкий діапазон зміни сигналу завдання (в межах від 0 до100 %),

Елемент порівняння призначений для порівняння дійсного (поточного) значення регульованої величини (параметру) із заданим значенням і формування сигналу неузгодження, пропорційного цій різниці:

ε(t) = z(t) – X_а(t).

ЕП технічно реалізують у вигляді вимірюючого блока (ВБ) або вимірюючого модуля (ВМ).

Вимоги до ЕП:

1) лінійність та стабільність у часі його статичної характеристики, тобто постійність коефіцієнта передачі ЕП (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 – Статична характеристика елемента порівняння

2) безінерційність – миттєва передача вхідного впливу на вихід, тобто мати властивості пропорційної ланки з передатною функцією W(s) = K_ЕП (рисунок 3.3).

∆Х_е

t

∆Х_а

Рисунок 3.3 – Динамічна характеристика елемента порівняння

3) мати можливість підсумовування кількох вхідних сигналів

.

Командно-підсилюючий пристрій – призначений для перетворення сигналу неузгодження ε(t) у сигнал, зручний для управління виконавчим механізмом і формування закону регулювання. Технічну реалізацію КПП називають регулюючим блоком (РБ) або модулем (РМ).

На рисунку 3.1 пунктиром показано варіант, коли обидва модулі (ВМ) і (РМ) містяться в одному блоці, що має назву регулюючого приладу (РП).

Вимоги до КПП:

1. Односпрямованість дії;

2. Стабільність у часі статичної характеристики;

3. Лінійність статичної характеристики;

4. Високий і стабільний коефіцієнт передачі;

5. Можливість зміни параметрів налагодження у широких межах;

6. Висока швидкодія при формуванні закону регулювання.

Пусковий пристрій призначений для підсилення за потужністю регулюючого сигналу, зформованого в КПП, до потужності, достатньої для управління виконавчим механізмом.

Вимоги до ПП:

1. Високий коефіцієнт передачі за потужністю (відношення потужності вихідного струму ПП до потужності сигналу на його вході);

2. Можливість зміни знаку або фази вихідного сигналу ПП відповідно до знаку регулюючого впливу, тобто ПП повинен бути реверсивним (реверс – зміна напрямку руху) для можливості відкриття або закриття ВМ.

З курсу фізики відомо, що в однофазних асинхронних електродвигунах реверс виконується за рахунок зміни кута зміщення фаз між мережевою та управляючою напругами на первинній і вторинній обмотках статора (рисунок 3.4). Це виконується послідовним підключенням фазозсуваючого конденсатора С до обмоток І або ІІ.

U = ~220 B

Рисунок 3.4 – Схема реверсування однофазного асинхронного електродвигуна

Конденсатор С зміщує фазу змінного струму на 90°, що визначає напрямок обертання магнітного поля і, відповідно, ротора електродвигуна.

У трифазних асинхронних електродвигунах фази напруг зміщені одна відносно іншої на 120°. Тому, при включенні обмоток статора «зіркою» або «трикутником», напрямок обертання короткозамкнутого ротора визначається напрямком чергування фаз на обмотках статора. Для зміни напрямку обертання ротора потрібно лише поміняти місцями підключення будь-яких двох фаз до обмоток статора (рисунок 3.5).

Ua

Ub

Uc

Ua

Uc

Ub

Uc

120º

120º

120º

а) б) в)

Рисунок 3.5 – Реверсування трифазного асинхронного електродвигуна

а) векторна діаграмма трифазної напруги; б) включення «зіркою»; в) включення «трикутником»

Для зупинки електродвигуна пусковий пристрій повинен відключити всі три фази від обмоток статора.

Виконавчий механізм – призначений для переміщення РО з метою формування регулюючого впливу на технологічний процес.

Конструктивно ВМ виконаний як мотор-редуктор (рисунок 3.6), тобто складається з одно- або трифазного асинхронного електродвигуна (ЕД) та знижуючого редуктора, що зменшує число обертів електродвигуна від 3000 об/хв до значень, при яких вихідний вал ВМ має час повного відкриття РО (час сервомотору Т_ВМ) від 10 до 630 с. Вихідний вал ВМ може повертатися на кут 90°, 180° або 270° в однообертових механізмах типу МЭО, так і на багато обертів у вбудованих у РО електроприводах.

Рисунок 3.6 – Склад електричного виконавчого механізму

Вимоги до ВМ:

1) Потужність на вихідному валі ВМ повинна бути достатньою для переміщення РО, тобто обертаючий момент М повинен бути достатнім для переміщення РО, тому потужність електродвигунів може складати від десятків Вт до десятків кВт.

Найбільш розповсюдженими є ВМ типу МЭО (механізм електричний однообертовий), виконань МЭОБ, МЭОК, МЭОФ, наприклад, МЭО-20/63, де перша цифра – обертаючий момент в Н·м, друга цифра – час сервомотору в с. Тип напруги живлення: Б – однофазна, К – трифазна, Ф – фланцеве виконання.

2) У ВМ, крім переміщення РО електроприводом, повинне бути передбачена можливість ручного переміщення РО за допомогою штурвала.

ВМ можуть бути не лише електричними, але й гідравлічними та пневматичними. Найбільш розповсюджені прямохідні гідравлічні механізми, що складаються з циліндру і поршня. Робоче тіло – технічне масло (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 – Схема прямохідного гідравлічного ВМ

Зусилля переміщення РО пропорційне площі поверхні поршня S та різниці тисків рідини на ньому: F = S·(P₁ – Р₂).

В гідравлічних ВМ тиск масла складає десятки МПа (сотні кг/см²) , тому вони при невеликих габаритах є дуже компактними та потужними. В енергетиці гідравлічні ВМ часто використовуються для регулювання обертів парової турбіни, а точніше, для переміщення ГП3 (головної парової засувки).

В пневматичних ВМ робоче середовище – повітря, по конструкції вони бувають прямохідними (поршневими) і мембранними (найбільш поширеними).

Оскільки тиск повітря відносно невеликий (Р = 0,1–0,6 МПа = 1–6 кгс/см²), то для одержання значної сили при невеликих тисках повітря потрібно використовувати гнучку мембрану великої площі та застосовувати позіціонер – підсилювач потужності.

Мембранний ВМ (рисунок 3.8) складається з:

1. гнучкої мембрани великої площі, що деформується (вигинається) при збільшенні тиску повітря. Мембрана має жорсткий центр та гофри для розтягування під тиском.

Рисунок 3.8 – Принцип дії мембранного ВМ

2. оскільки тиск повітря подається лише у верхню частину ВМ, то для повернення мембрани в вихідний стан використовується повертальна пружина.

В енергетиці використовуються в основному електричні ВМ двох принципів дії за швидкістю переміщення РО:

а) ВМ постійної швидкості, в яких при подачі напруги швидкість обертання електродвигуна є постійною. Регулюючий вплив при цьому рівномірно змінюється у часі зі швидкістю, що визначається числом обертів електродвигуна і часом його включення.

При подачі напруги на електродвигун ВМ переміщує РО з положення повного закриття (0%) до повного відкриття (100%) за час сервомотору Т_ВМ (рисунок 3.9). Величина, обернена постійній часу сервомотору Т_ВМ, називається швидкістю ВМ S_BM.

.

Рисунок 3.9 – Динамічна характеристика виконавчого механізму

Недоліком ВМ постійної швидкості є спотворення закону регулювання, а перевагою – його висока надійність і низька вартість.

Передатна функція ВМ постійної швидкості описується передатною функцією інтегруючої ланки

де K_ВМ – коефіцієнт передачі ВМ, Т_ВМ − час сервомотору.

Якщо ВМ безпосередньо зчеплений з РО (вбудований), то K_ВМ = 1. При з’єднанні ВМ з РО за допомогою важільного або кулачкового зчеплення коефіцієнт передачі K_ВМ буде визначатися відношенням довжин важілів r і R (рисунок 3.10) або формою кулачка і довжиною важіля.

Рисунок 3.10 – Важільне зчеплення виконавчого механізму з регулюючим органом

Оскільки ВМ містить масивні деталі, що обертаються з великою швидкістю (ротор електродвигуна і шестерні редуктора), то ВМ вибирають із врахуванням його часів розгону і вибігу.

Час розгону Т_роз – це проміжок часу, за який електродвигун ВМ, приєднаного до РО, набуває номінальних оборотів при подачі напруги живлення (рисунок 3.11).

Час вибігу Т_виб – це проміжок часу, за який електродвигун ВМ повністю зупиняється після відключення напруги живлення. В ідеальному випадку часи розгону і вибігу повинні бути рівними нулю.

Рисунок 3.11 – До пояснення часів розгону та вибігу виконавчого механізму

Чим більші часи розгону і вибігу, тим більшим є спотворення закону регулювання.

Щоб зменшити час розгону, вибирають більш потужний ВМ, але при цьому збільшується час вибігу, тому що у більш потужних механізмах збільшується маса деталей, що обертаються, і вони мають більшу інерцію. Для зменшення часу вибігу використовуються механічні та електричні гальмові пристрої.

Електричне гальмування виконується короткочасним підключенням конденсатора до обмотки електродвигуна в момент його вимкнення, тобто підключенням ємнісного навантаження електродвигуна на вибігу і формування проти-ЕРС, що різко гальмує його ротор.

Механічні гальма також включаються в момент виключення електродвигуна і гальмують його ротор. За конструкцією вони схожі з гальмівними пристроями автомобілів (барабанними та дисковими), а також стрічковими, як у підйомних пристроях (рисунок 3.12).

Рисунок 3.12 – Принципи дії механічних гальмівних пристроїв виконавчих механізмів

б) ВМ змінної швидкості – безінерційні механізми пропорційної дії або пропорційного переміщення з передатною функцією

W_ВМ(s) = K_ВМ (П-ланка).

Такі властивості мають пневматичні, гідравлічні та електричні ВМ з перетворювачами частоти.

Висновок: оскільки ВМ входить до складу автоматичного регулятора, що формує П, ПІ, ПІД та інші закони регулювання, то властивості ВМ, особливо постійної швидкості, необхідно враховувати в алгоритмах функціонування КПП.

Вимоги до ВМ:

1. достатній хід або кут повороту вихідного валу для переміщення РО;

2. достатній запас за потужністю в порівнянні з максимальним перестановочним зусиллям РО;

3. можливість реверсування;

4. малі часи розгону та вибігу.