4 Курс / ЭФУСА / ЭФУСА. Авдеев

Рисунок 4.22 – Принципиальная схема твердотельного реле переменного тока

Наиболее распространенными вариантами оптических развязок являются семистор и транзистор. Симистор обладает следующими преимуществами: включение в состав развязки тригерной цепи и ее защищенность от помех. К недостаткам следует отнести дороговизну и необходимость больших величин тока на входе в устройство, необходимого для переключения выхода. Тиристор не нуждается в наличии большого значения тока для переключения выхода. Недостаток – нахождение тригерной цепи вне развязки, а значит большее число элементов и слабая защита от помех.

Есть несколько разновидностей твердотельного реле, которые отличаются особенностями контролирующего и коммутируемого напряжения:

1. Твердотельные реле постоянного тока – используется при действии постоянного электричества в диапазоне от 3 до 32-х Вт. Характеризуется высокими удельными характеристиками, светодиодной индикацией, высокой

221

надежностью. Большинство моделей имеют широкий диапазон рабочих температур от –30 до +70 0С.

2.Твердотельные реле переменного тока отличается низким уровнем электромагнитных помех, отсутствием шума во время работы, низким потреблением электроэнергии и высокой скоростью работы. Рабочий интервал составляет 90–250 Вт.

3.Твердотельные реле с ручным управление, позволяют настраивать тип

работы.

В соотношении с типом нагрузки выделяют:

– однофазное твердотельное реле,

– трехфазное твердотельное реле.

Однофазное реле позволяет коммутировать электричество в диапазоне 10– 120 А, или в диапазоне 100–500 А. Фазовое управление осуществляется при помощи аналогового сигнала и переменного резистора. Трехфазные реле применяют для коммутации тока сразу на трех фазах одновременно. Они имеют рабочий интервал от 10 до 120 А. Среди трехфазных реле выделяют устройства реверсивного типа, которые отличаются маркировкой и бесконтактной коммутацией. Их функция состоит в надежной коммутации каждой цепи отдельно. Специальные устройства способны надежно защищать реле от ложных включений. При подборе или замене аппарата, необходимо ответственно подойти к защите ключа защитными устройствами. Нужно выбирать ключи в два или три раза большим током, от коммутируемой нагрузки. Помимо этого, важно снабдить силовую цепь предохранительными плавкими вставками или быстрыми специальными автоматами класса В.

Различные варианты твердотельных реле представлены на рисунке 4.23.

Рисунок 4.23 – Варианты твердотельные реле

222

Отсутствие переходных процессов в виде дуги и искр увеличивает время эксплуатации в несколько раз. Если обычный контакт, в лучшем случае, рассчитан на 500 тыс. коммутаций, то силовой электронный элемент не имеет таких данных.

Преимущества:

меньшие размеры, чем у электромагнитного реле;

полная бесшумность работы;

большая скорость переключения;

более длительный срок службы из–за отсутствия механического и электрического износа (позволяет осуществить более миллиарда срабатываний); выходное сопротивление не меняется во время всего срока службы

(контакты не окисляются);

отсутствие дребезжание контактов;

отсутствие искры, что позволяет использовать устройство на взрыво– и пожароопасных объектах;

меньшая чувствительность к внешним условиям, например, вибраций, магнитных полей, влажности и запылённости воздуха.

Недостатки:

в открытом состоянии нагревается за счёт сопротивления p–n– перехода, и достаточно мощные реле требуют охлаждения;

в закрытом состоянии имеет большое, но не бесконечное сопротивление, а также обратный ток утечки (микроамперы);

вольт-амперная характеристика контакта весьма нелинейная;

некоторые типы требуют соблюдения полярности выходных цепей (рассчитаны на коммутацию только постоянного тока);

при выходе из строя имеют тенденцию закорачивать выходные контакты вследствие пробоя силового ключа, тогда как обычные реле чаще всего остаются разомкнутыми;

требуют принятия мер против ложных срабатываний из-за скачков напряжения (из-за очень высокой скорости срабатывания);

чувствительность к току нагрузки, превышение которого в несколько раз выходят из строя.

4.8Регулирующие органы расхода

4.8.1Общие положения

Регулирующие органы (РО) служат для изменения расхода жидкости и газов элементов систем автоматики.

К основным характеристикам регулирующих органов относят:

1.Перемещающее усилие – это усилие, которое необходимо приложить к регулирующему органу для его перемещения.

2.Диапазон регулирования – это изменение расхода вещества при перемещении регулирующего органа из одного крайнего положения в другое.

3.Расходная характеристика – это зависимость между изменением положения регулирующего органа в процентах и расходом подаваемого в объект

223

вещества (рисунок 4.24). Расход подаваемого вещества зависит, однако, не только от положения регулирующего органа, но и от свойств подаваемого вещества, его плотности, вязкости, от условий работы регулирующего органа, в том числе напора, сопротивления среды, перепада давления на регулирующем органе. При постоянном перепаде на регулирующем органе его расходная характеристика является идеальной, по которой регулирующие органы сравниваются между собой.

Рисунок 4.24 – Расходные характеристики

По форме пропускные и расходные характеристик подразделяются на линейные, равнопроцентные и специальные.

Наиболее предпочтительным видом характеристики является линейная зависимость между расходом подаваемого в объект компонента и положением регулирующего органа. Если достигнуть этого не удается на всех значениях характеристики от минимального расхода до максимального, то можно ограничиться линейным (или близким к линейному) участком характеристики в рабочем диапазоне, т. е. в наиболее часто встречающемся режиме работы объекта. Если простым сочленением исполнительного механизма с регулирующим органом не удается этого добиться, то используются нелинейные связи (сочленения) с помощью профилированных кулачков и тяг для придания характеристике желательной формы. Вид расходной характеристики определяется условиями эксплуатации РО и, поэтому не может быть рассчитан заранее, как это делается для пропускных характеристик. Расчёт расходной характеристики базируется на пропускной, учете параметров проходящего через РО вещества, схемы сети и характеристик сети, таких как диаметры и длины труб, состояние их внутренней поверхности, наличие изгибов, сужений, расширений и др.

4. Конструктивная характеристика – это зависимость проходного сечения S РО от степени его открытия, например, угла поворота вала, которым управляют РО. Управлять РО можно также линейно перемещающимся штоком. По форме конструктивная характеристика может быть линейной, равнопроцентной (обе характеристика являются стандартными) и специальной,

224

т. е. произвольной формы. При линейной характеристике приращение сечения прямо пропорционально приращению угла. При равнопроцентной характеристике приращение сечения прямо пропорционально текущему значению сечения.

5.Пропускная способность (или характеристика) KV – зависимость от сечения S расхода жидкости с плотностью 1000 кг/м3 при перепаде давления на РО равном 0,1 МПа (1 атм = 1 кгс/см2). Условная пропускная способность KVУ –

номинальное значение пропускной способности KV, которое соответствует полному открытию РО. Также используется относительная пропускная

способность KV/KVУ. Все виды пропускных характеристик рассчитываются при проектировании РО.

6.Условное давление РУ – максимально–допустимое давление по условиям механической прочности РО.

7.Условный диаметр прохода DУ – номинальный диаметр РО в присоединительных патрубках.

РО как элемент САУ является пропорциональным безинерционным звеном с передаточной функцией:

W ( p) g kPO .

S

На расходной характеристике величина kPO определяется через угловой коэффициент касательной в заданной точке.

Выбор типа расходной характеристики между линейной и равнопроцентной проводится с тем условием, чтобы при регулировании расхода g коэффициент передачи kPO был бы постоянным.

РО с линейной расходной характеристикой применяют в САУ регулирования расхода путем изменения сечения S при одновременном поддержании постоянства перепада давления ∆p на РО. Этому соответствует работа на характеристике а, на всем протяжении которой коэффициент kPO передачи неизменен. При снижении ∆p расходная характеристика примет вид б, на всей протяженности которой kPO угловой коэффициент будет меньше, чем на характеристике а.

РО с равнопроцентной характеристикой применяют в САУ стабилизации расхода путём регулирования сечения S в условиях изменения давления ∆p. В таком случае коэффициент kPO передачи остаётся постоянным. Действительно, пусть начальный режим РО задан точкой 3 на характеристике в. Если ∆p уменьшилось, то работа РО будет продолжаться на характеристике г с меньшим расходом в точке 4. Для восстановления величины расхода до первоначального уровня увеличивают сечение до значения S4. Равнопроцентная характеристика обладает тем свойством, что в точках 3 и 4 наклон касательной один и тот же, т.е. коэффициент передачи kPO будет неизменным.

Во всех остальных возможных режимах работы САУ выбор вида расходной характеристики РО обосновывается полным расчётом РО вместе с

производительности.

2.Дросселирующие РО: шиберы, заслонки, краны, клапана.

Наиболее распространенными регулирующими органами являются дроссельные, которые представляют гидравлическое сопротивление сети, управляющие расходом вещества путём изменения проходного сечения. Кроме дроссельных, на судах применяют устройства регулирующие расход путём изменения давления в сети. К ним относятся насосы переменной производительности.

4.8.2 Шибер и заслонка

В шиберной задвижке (рисунок 4.25 а) применяется металлическая пластина или металлический клин, который способен разрезать различные включения в жидкости, протекающей внутри ее тела. Из этого и вытекает назначение этого вида запорной арматуры: перекрытие потока рабочей среды, которая имеет повышенную вязкость, способность кристаллизоваться и характеризуется наличием твердых и абразивных частиц, которые своей большей частью, являются активными химическими веществами. Шиберную задвижку иногда используют для регулирования потока среды, но ее основное назначение, это полное открытие или закрытие движения среды. Различают две разновидности заслонок: шибер поворотный и горизонтальный. Первый еще называют дроссельной заслонкой (рисунок 4.25 б, в). Это шибер классического типа, представляющий собой пластину, которая закреплена на вращающейся оси. Поворотный шибер менее надежен, поэтому применяется только в том случае, если конструктивно нельзя установить горизонтальный. Заслонка требует для перестановки небольшого момента, так как усилия, действующие на лопасти заслонки, частично компенсируют друг друга.

а б в

Рисунок 4.25 – а) шибер; б) заслонка безупорная; в) заслонка упорная

Преимущества:

дешевизна и простота изготовления;

форма канала и отверстия может быть прямоугольной или круглой;

отсутствие поворотов потокам рабочей среды;

простота обслуживания;

относительно небольшая строительная длина;

возможность подачи среды в любом направлении.

Недостатки:

сложность расчета пропускной характеристики; требуется самое большое усилие в сравнении с другими РО из-за

226

высокой силы трения между пластиной и направляющими поверхностями; нет полного уплотнения.

4.8.3 Кран

Кран – запорное устройство, в котором подвижная часть затвора (пробка) имеет форму тела вращения с отверстием для пропуска потока, для перекрытия которого вращается вокруг своей оси (рисунок 4.26).

Любой кран имеет две основные детали: неподвижную (корпус) и вращающуюся (пробку). В зависимости от геометрической формы уплотнительных поверхностей пробки и корпуса (затвора) краны разделяют на три основных типа:

–конические;

–цилиндрические;

–шаровые или со сферическим затвором. Изготавливаются в небольших габаритах и применяются для регулирования расхода. Обеспечивают высокую плотность закрытия. При полном открытии крана гидравлическое сопротивление мало.

Рисунок 4.26 – Кран

Преимущества:

герметичность в различных условиях эксплуатации;

малый вес и габариты,

возможность быстрого перекрытия потока;

возможность использования в широком температурном интервале (от – 50 до + 200 °С) и при высоком давлении среды;

малый коэффициент гидравлического сопротивления;

возможность применения для работы с загрязненными, вязкими средами, пульпой и суспензиями.

Недостатки:

высокий крутящий момент для поворота ручки;

возникновение гидравлических ударов в трубопроводе при быстром открытие крана;

необходимость регулярного открытия и закрытия крана для предотвращения «залипания» вращающейся части;

плохая применимость кранов с фторопластовым уплотнением на температурах более 150 °С.

227

4.8.4 Клапан

Клапан – устройство, предназначенное для открытия, закрытия или регулирования потока, запирающий элемент которого перемещается параллельно оси потока рабочей среды.

Корпус имеет два патрубка с концами для присоединения к трубопроводу, оно может быть любым известным способом фланцевым, муфтовым, штуцерным, цапковым, приваркой (рисунок 4.27). Внутри корпуса расположено седло, которое в положении «закрыто» перекрывается затвором. Шпиндель проходит через сальниковое уплотнение в крышке. Ходовая часть запорного органа вынесена за пределы зоны рабочей среды с помощью бугельного узла. Уплотнение может быть и сильфонным, в этом случае вынесение ходового узла не требуется. В крайнем нижнем положении золотник садится в седло и поток среды перекрывается. Усилие, передаваемое от привода, может быть как поступательным, так и вращательным. Клапан также может быть одно– и двухседельным.

а б

Рисунок 4.27 – Клапан односедельный (а) и двухседельный (б)

Преимущества:

полное уплотнение;

малое перестановочное усилие;

хорошая работоспособность при экстремально высоком нагреве или высоком давлении;

возможность работать с разными типами сред;

стабильность работы с агрессивными средами.

Недостатки:

дороговизна;

сложное проектирование клапана на заданную пропускную характеристику;

высокий уровень гидросопротивления; отсутствие возможности установить регулирующий клапан в трубу

большого диаметра.

4.8.5 Электромагнитный клапан

Электромагнитный клапан – электромеханическое устройство, предназначенное для регулирования потоков всех типов жидкостей и газов, состоящий из корпуса, соленоида (электромагнита) с сердечником, на котором

228

установлен диск или поршень, регулирующий поток (рисунок 4.28).

Принцип действия этого устройства зависит от его типа. Так, при подаче напряжения на катушку нормально закрытого клапана создается магнитное поле, поршень приходит в движение и открывает пилотное отверстие для перекачки жидкости. Если на катушке напряжение отсутствует, то пружина прижимает тарелку клапана к пилотному отверстию, и поток воды останавливается. Клапан нормально открытого типа действует с точностью до наоборот – при подаче электрического напряжения он меняет состояние от открытого (исходного) к закрытому. Для работы клапанов обоего типа электроток на катушку должен подаваться долговременно.

Магнитопровод

Якорь

Корпус

Конический

диск

Резьбовое

соединение

Рисунок 4.28 – Электромагнитный клапан

По характеру действия клапаны бывают одноходовые, двухходовые, трехходовые, и четырехходовые,

Механизмов работы таких клапанов тоже два:

Прямого действия, использующийся на небольших расходах – то есть, регулировка происходит исключительно при подаче напряжения на катушку и приведению в движение сердечника;

Пилотного действия, использующегося на больших расходах – подача напряжения воздействует на пилотный, а открытие основного клапана происходит посредством использования энергии потока воды. Такой механизм работы требует обязательного наличия перепад давления около 0,2 атм. По такому принципу работает электромагнитный обратный клапан для воды, предотвращающий обратный поток в трубопроводе.

Также существуют так называемые бистабильные (импульсные) клапаны, которые переключаются с открытого на закрытое положение при подаче на катушку короткого импульса. Ключевой особенностью бистабильных клапанов

229

становится то, что для удержания закрытого или открытого положения не требуется непрерывная подача напряжения.

Виды электромагнитных катушек:

1.Постоянного тока – клапан характеризуется небольшой силой действия электромагнитного поля. Используются для регулировки потока низкого давления;

2.Переменного тока – имеют большую силу электромагнитного поля. При потреблении большого количества электроэнергии скорость закрытия клапана увеличивается, что обеспечивает более мощный поток.

Преимущества

возможность точно следить за всеми процессами и настраивать порядок системы;

отсутствие трудностей с установкой и управлением;

сравнительная легкость конструкции.

Недостатки

требуется непрерывное электропитание;

стоимость такой установки порядком выше средней цены простой запорной арматуры;

при резком падении величины постоянного управляющего напряжения, электромагнит может не преодолеть возвратного усилия запорной пружины и тогда клапан останется закрытым;

при открывании и закрывании клапана имеют место громкие щелчковые соударения.

230