Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы автоматики. Учебное пособие
.pdf
3.5. Усилительные элементы
В показанном на рисунке примере выходы сдвигового регистра управляют подачей разных по величине напряжений на вход
системы. Величины напряжений и степень дискретности определяются числом разрядов регистра и номиналами сопротивлений.
Устройства сравнения могут быть электромеханическими,
гид равлическими, пневматическими и др. Наиболее широко применяют электрические устройства сравнения на базе операционного усилителя. Операционный усилитель является дифференциальным усилителем, т. е. выходной сигнал его пропорционален
разности входных сигналов, что и необходимо в автоматических
системах регулирования. Существует большое количество схем
сравнения на операционных усилителях, которые выполняют не
только определение разности входных величин, но и функцию
усиления. В электрических схемах их изображают именно усилителями.
3.5. Усилительные элементы
Используемые системами регулирования электрические сигналы требуют усиления по мощности. Усиление производится с
помощью дополнительных источников энергии. В зависимости
от вида энергии вспомогательного источника усилители делят
на электрические, гидравлические, пневматические, комбинированные.
Наиболее часто используют электрические усилители, которые подразделяют на электронные, магнитные, электромашинные и др.
Электронные усилители в зависимости от характера входной
и выходной величин бывают линейными, импульсными, функциональными (обладают функциями корректирующих звеньев).
Промышленностью выпускаются в виде микросхем, главными из
которых являются операционные усилители и компараторы.
Магнитные усилители (МУ). Индуктивное сопротивление катушки XL = ωL пропорционально ее индуктивности L, которая, в
свою очередь, пропорциональна магнитной проницаемости μ
стали. В ненасыщенной стали магнитная проницаемость μ зависит от напряженности Н магнитного поля: μ = μ(Н). Намотанная
на сердечник дросселя дополнительная катушка (катушка управления) с большим коли чеством витков способна путем регулирования небольшого постоянного тока, протекающего по ней, изме-
71
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
нять индуктивное сопротивление дросселя. Такой дроссель,
включенный последовательно с нагрузкой, позволяет регулировать мощность нагрузки. Однако одного дросселя недостаточно.
На рисунке 44 показано устройство МУ на двух стержнях.
При подаче напряжения на обмотки w обмотка управления wу яв-
ляется вторичной обмоткой трансформатора. На ней возникает знач и-
∼U
тельная ЭДС, так как она обладает
w∼
w∼
Z
н
большим числом витков. Чтобы исключить влияние силовой цепи на
источник управляющего сигнала,
w
U
у
у
w
у
Рис. 44. Магнитный усилитель
используется встречное включение
обмоток управления: ЭДС, возникающие в двух обмотках управления,
уравновешиваются, не воздействуя
на источник управляющего сигнала. Изменяя ток управления,
изменяют ток, протекающий по нагрузке.
На практике используют Ш-образные сердечники, позволяющие встречно включать не ЭДС катушек, а их магнитные потоки Ф1 и Ф2 (рис. 45). Обмотка управления wу одна, и она намотана на центральном стержне. Магнитный поток управления
разделяется пополам на два магнитных контура, проходя по магнитным цепям половин силовой обмотки w∼ и подмагничивая
их. В каждом из контуров половины силовой обмотки создают
магнитные потоки Ф1 и Ф2, которые в центральном стержне направлены навстречу друг другу и не оказывают влияния на обмотку управления.
w∼
Z
w∼
Ф
w
у
w
СМ
Ф
2
1
w
ОС
н
∼U
Рис. 45. МУ с обмоткой смещения и обмоткой ОС
На центральном стержне располагается обмотка смещения
wсм, магнитодвижущая сила (МДС) которой может быть направ-
72
3.6. Исполнительные элементы и устройства
лена согласно или встречно МДС обмотки управления. Наличие
тока в обмотке смещения равносильно увеличению или уменьшению тока управления. Обмотка смещения служит для сдвига
статической характеристики Iн(Iу) влево или вправо.
На цент ральном стерж не ра сполагают и обмо тк у ОС. При совпадении по направлению магнитных потоков обмотки управления и обмотки ОС ОС положительная и статическая характеристика становится круче, при противоположной направленности
магнитных потоков ОС отрицательна и статическая характеристика становится более пологой.
В приведенной на рисунке 44 схеме МУ, которая называется
однотактной, при Iу = 0 имеется значительный выходной ток.
В двухтактных МУ выходной сигна л образуется как разность выходных сигналов двух МУ, имеющих общую цепь управления.
В таких усилителях статическая характеристика проходит через
нача ло координат, имеется возможность изменять фазу выходного сигнала.
МУ позволяют получить коэффициент усиления по напряжению до 107, по мощности до 103. Они имеют высокую надежность, механическую прочность и долговечность.
МУ, выполненные из трансформаторной стали, обладают
большой инерционностью. Для увеличения быстродействия усилители напряжения изготавливают из специальных сталей.
3.6. Исполнительные элементы и устройства
Электродвигатели. Серводвигатели. Электромагниты
В качестве исполнительных устройств чаще всего используют электродвигатели. Для небольших, но быстрых перемещений
могут применяться электромагниты, которые по принципу действия не отличаются от катушек реле, а также гидравлический,
пневматический или смешанные приводы. Если электродвигатель предназначен для перемещения регулирующих устройств,
он называется серводвигателем. Серводвигатели принципиально
управляются как обычные двигатели, но в отличие от них чаще
работают в переходных режимах. Поэтому конструктивно они
могут отличаться: для уменьшения инерции могут быть выполнены с полым ротором или малым диаметром ротора (удлиненным
ротором), могут быть со встроенным редуктором и т. д.
73
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
Электродвигатели постоянного тока (ДПТ)
ДПТ независимого возбуждения используются для регулирования момента М на валу, угловой скорости ω и угла поворота α. Постоянная времени для малых электродвигателей имеет
порядок 10–1–…10
–5
с, для больших – до 1 с. Для реверсирования
используется изменение полярности тока якоря. Это обычно осуществляется релейными схемами. Для двигателей малой мощности можно применять поляризованное реле.
Для быстрого останова наиболее часто используется режим
динамического торможения, когда после отключения сети обмотки якоря замыкаются малым сопротивлением.
ДПТ последовательного возбуждения имеют более высокий
пусковой момент, но нелинейную механическую характеристику.
Реверсировать их трудно в связи с тем, что обмотка возбуждения
последовательно соединена с якорем и направление тока в них
можно изменить одновременно. В серводвигателях часто используют две обмотки возбуждения. Одна включается при необходимости вращения в одну сторону, другая – в противоположную.
Асинхронные двигатели переменного тока применяют как в
качестве исполнительного двигателя, так и в качестве серводвигателя. В качестве нагрузки используют асинхронные трехфазные двигатели. Они имеют высокие показатели (малые габариты,
простая конструкция, высокая надежность, жесткая механическая характеристика, питание непосредственно от сети переменного тока и др.). К недостаткам следует отнести малую перегрузочную способность, ограниченные возможности регулирования
скорости, момента или угла поворота.
В качестве серводвигателей переменного тока используют
однофазные асинхронные двигатели, часто с полым ротором.
Такие двигатели имеют две взаимоперпендикулярные обмотки,
одна из которых (обмотка возбуждения) питается от источника
переменного тока, другая (обмотка управления) питается той же
частотой, со сдвигом по фазе. При сдвиге на 90° двигатель имеет
круговое вращающееся магнитное поле, максимальный КПД и
развивает максимальный момент. При других углах сдвига момент и КПД падают, вращающееся магнитное поле становится эллиптическим. При постоянной нагрузке есть возможность
таким способом в небольших пределах регулировать скорость.
Иногда ток в обмотку управления подают от другого источника.
В этом случае двигатель называют двухфазным. Использование
74
3.6. Исполнительные элементы и устройства
однофазных (дву хфазных) двигателей в цепях управления оправдано их небольшими размерами, возможностью использования
однофазной сети переменного тока, простым управлением, достаточно высоким КПД.
Электромагнитные муфты
В электроприводах с электромагнитными муфтами двигатель
работает непрерывно, а вращение на нагрузку передается с помощью муфты. При этом может использоваться самый простой и
надежный трехфазный асинхронный двигатель.
Фрикционные муфты (рис. 46) передают вращение за счет
трения между двумя частями муфты, выполненными из электротехнической стали. Передающий диск 2 насажен на ведущий
вал 1, который жестко связан с валом двигателя. В передающем
диске установлена обмотка 3 электромагнита. Фрикционная прокладка 4, служащая для передачи вращения, приклеена к передающему диску. Выходной диск 5 может перемещаться вдоль выходного вала 6 за счет шлицевого соединения. При подаче тока
в катушку выходной диск притягивается к передающему диску и
за счет трения между поверхностями фрикционной прокладки и
выходного диска вращение передается на выходной вал. Пружина 7 оттягивает выходной диск, когда ток выключен.
4
3
2
1
Рис. 46. Электромагнитная муфта
5
6
7
Возможны различные варианты фрикционных муфт: для
увеличения передаваемого усилия используется несколько фрикционных дисков, часть из которых связана с входным, а вторая
часть – с выходным диском; катушка может быть установлена на
вращающейся или на неподвижной части муфты (тогда не нужны
вращающиеся токосъемники); фрикционная часть может быть
75
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
выполнена в виде ферромагнитного порошка, который в магнитном поле образует вдоль силовых линий магнитные мостики
между обеими частями муфты.
Асинхронные муфты
В состав асинхронных муфт входит короткозамкнутая обмотка, выполненная так же, как в асинхронных двигателях, но
установленная на наружном цилиндре муфты. Вращающееся
магнитное поле создается электромагнитами, закрепленными
на ведущем валу муфты. Питание электромагнитов осуществляется посредством контактных колец, установленных на том же
валу. Вращение ведомого вала осуществляется со скольжением
тем бо льшим, чем больше нагрузка. С увеличением скольжения
увеличиваются потери и нагрев. При некотором предельном значении скольжения передача момента прекращается. Это может
быть использовано для защиты приводного двигателя от перегрузки.
Шаговые двигатели (ШД) обладают высоким габаритным
моментом, т. е. при малых размерах развивают большие вращающие моменты. Поэтому их широко применяют в качестве как
исполнительных двигателей автоматических систем небольшой
мощности, так и серводвигателей. Главное достоинство ШД состоит в том, что они могут отработать заданное количество шагов и сохранить достигнутое положение.
Используют ШД с активным и пассивным ротором. В ШД с
активным ротором в ротор встроен постоянный магнит, с полем
которого взаимодействует магнитное поле обмоток статора. При
отсутствии тока магнит удерживает ротор в занятом положении,
при его наличии ротор занимает положение, которое задается
системой магнитных полей.
В ШД с пассивным ротором постоянного магнита нет. Поэтому они имеют мен ьш ие моменты вращени я и для фи ксац и и достигнутого положения в обмотках должна сохраняться последняя
комбинация токов. Быстродействие таких ШД несколько выше
быстродействия ШД с активным ротором.
Несмотря на более высокую сложность и стоимость ШД с
активным ротором вытесняют ШД с пассивным ротором.
В отличие от других двигателей, ШД невозможно включить
непосредственно в сеть, требуется специальная система управления (рис. 47).
76
3.6. Исполнительные элементы и устройства
УМ
УГ
ГИ
Рис. 47. Структурная схема управления ШД
РИ
ШД
Генератор импульсов (ГИ) вырабатывает частоту прямоугольных импульсов, которые поступают на распределитель (РИ), служащий для выдачи импульсов на каждую фазу двигателя. Максимальное значение частоты, которое можно подать на двигатель
и он может быть запущен без потери шага, называется частотой
приемистости. Она зависит от нагрузки двигателя, от источника
питания и доходит до 1000 Гц. ГИ под действием сигнала управления генератором (УГ) вырабатывает частоту, начиная с частоты
приемисто с т и, и увели чив а е т ее до необходи мой. С РИ на каж ду ю
фазу ШД импульсы поступают через усилитель мощности (УМ).
Обмотки ШД обладают индуктивностью. Поэтому при подаче напряжения на обмотку ток в ней не сразу достигает номинального значения I
, что уменьшает вращающий момент дви-
пит
гателя. Для увеличения момента при пуске на обмотку кроме
U
подают форсировочное напряжение U
пит
, значительно превы-
форс
шающее рабочее. Ток растет значительно быстрее. Как только он
достигает значения I
, форсировочное напряжение отключают.
пит
Среднее значение тока в импульсе существенно вырастает.
В настоящее время наиболее прогрессивным управлением
ШД является управление с помощью микроконтроллера, который позволяет осуществить не только заданную последовательность включения фаз, но и форсировку
U
при использовании одного источника
питания (например, если напряжение
питания ШД составляет 5 В, напря-
U
max
U
min
жение источника питания достигает
100 В). Контроллер включает и выключает питание обмоток при напряжениях немного выше и немного ниже напряжения питания ШД, обеспечивая
высокую степень форсировки (рис. 48).
Рис. 48. Формирование
импульса при высоких
напряжениях питания
t
77
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
3.7. Гидравлические и пневматические элементы
Гидравлические и пневматические элементы получили настолько высокое качественное развитие, что часто только с их
помощью можно построить достаточно сложные автоматические
системы. Развитие струйной технологии привело к тому, что гидравлические или пневматические логические элементы имеют
размеры, сопоставимые с электрическими логическими элементами.
Гидравлические и пневматические элементы изучают в отдельной дисциплине. Поэтому в данном издании сведения ограничены основными характеристиками гидравлических и пневматических элементов, используемых в автоматике.
В качестве силовых элементов используют гидродвигатели
(пневмодвигатели), в состав которых входят двигатели поступательного перемещения (гидроцилиндры и пневмоцилиндры) и
вращательного движения (гидромоторы и пневмомоторы). Мощность гидропривода создается за счет больших развиваемых усилий, в то время как скорость относительно невелика. Электродвигатели, как правило, развивают большую скорость и требуют
редукторов для ее уменьшения. Гидромоторы имеют достаточно
небольшие размеры и обладают высокой габаритной мощностью.
В сочетании с высокой жесткостью механических характеристик
это позволяет устанавливать их в ограниченных технологических
объемах, что часто делает гидромоторы незаменимыми.
В качестве силовых элементов пневмопривода используют
турбинки, основным назначением которых является высокая
угловая скорость, и пневмоцилиндры. Пневматические силовые
элементы обладают невысокой жесткостью, что позволяет применять их в тех случаях, когда недопустимо превышение силы или
момента, в частности для безопасности персонала и сохранности
оборудования. В область применения пневматического оборудования для автоматизации технологических процессов входят всевозможные сталкиватели, кантователи, погрузчики и т. п.
Работа силовых элементов обеспечивается распределителями, с помощью которых производится переключение направления потоков для реверса, обеспечения заданного цикла работы,
включения отдельных единиц оборудования и т. д. Многие распределители кроме своих основных функций обладают способностью дросселирования, т. е. регулирования расхода жидкости
78
Контрольные вопросы
или воздуха. В таких случаях можно исключить дроссели, которые специально выпускают для регулирования расхода.
Недостатком систем с гидравлическими элементами является необходимость применения гидронасосов, развивающих большие давления для возможности развития больших мощностей.
Шланги и другие трубопроводы должны с запасом выдерживать
такие давления, что делает их малоподвижными. Кроме того, во
многих случаях быстродействия недостаточно.
Практика показывает, что, используя достоинства электрических, гидравли ческих, пневмат и чески х и других элементов, можно создавать системы, содержащие наиболее удобные в данной
ситуации элементы. Например, трудно представить датчики, в
которых не используются электрические преобразователи, даже
если система полностью гидравлическая. В направлении комбинирования электрических, гидравлических и пневматических
элементов, с использованием наиболее подходящих качеств каждой из составляющих, развивается современная автоматика.
Одной из областей современного развития является создание
мехатронных систем, которые в составе одной конструкции (мехатронные блоки) могут содержать устройства самых различных
физических принципов (вплоть до микроконтроллеров). Такая
концепция позволяет сократить число и длину электрических,
гидравлических и пневматических линий, улучшает теплоотвод,
увеличивает надежность и уменьшает габариты устройств.
Контрольные вопросы
1. Объясните, чем динамические характеристики отличаются от
статических.
2. Объясните, чем преобразователи отличаются от датчиков.
3. Дайте определение чувствительности.
4. Укажите, изменяют ли измерительные схемы чувствительность
устройства.
5. Опишите особенности измерения уравновешенными и неуравновешенными мостами.
6. Объясните особенности дифференциальных измерительных схем.
7. Приведите достоинства и недостатки потенциометрических датчиков.
8. Приведите достоинства и недостатки простых индуктивных
преобразователей и дифференциальных индуктивных преобразователей.
79
Раздел 3. Элементы и устройства автоматики
9. Объясните, почему емкостные преобразователи работают главным
образом на переменном токе.
10. Дайте понятие внутреннего и внешнего фотоэффектов.
11. Опишите отличия друг от друга фоторезисторов, фотодиодов,
фототранзисторов.
12. Приведите примеры использования фотоэлектрических датчиков.
13. Объясните, в чем состоит эффект Холла и какие устройства
можно выполнить на его основе.
14. Перечислите датчики температуры и объясните их принцип действия.
15. Можно ли использовать пьезодатчики для измерения постоянных величин?
16. Объясните, для чего в реле используют штифт отлипания.
17. Объясните, можно ли (из соображений сохранности реле) реле
переменного тока включать в цепь постоянного тока того же напряжения.
18. Какие достоинства имеют магнитные усилители?
19. Объясните, с какой целью применяют муфты.
20. Объясните, с какой целю производят форсировку ШД.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]