Исполнительные устройства
Исполнительные устройства предназначены для преобразования управляющих (командных) сигналов в регулирующие воздействия на объект управления. Практически все виды воздействий сводятся к механическому, т. е. к изменению величины перемещения, усилия к скорости возвратно-поступательного или вращательного движения.
Исполнительные устройства являются последним звеном цепи автоматического регулирования и в общем случае состоят из блоков усиления, исполнительного механизма, регулирующего и дополнительных (обратной связи, сигнализации конечных положений и т. п.) органов. В зависимости от условий применения рассматриваемые устройства могут существенно различаться между собой.
К основным блокам исполнительных устройств относят исполнительные механизмы и регулирующие органы.
- Исполнительные механизмы классифицируют по ряду признаков: – по виду используемой энергии — электрические, пневматические, гидравлические и комбинированные; – по конструктивному исполнению — мембранные
и поршневые; – по характеру обратной связи — периодического и - непрерывного действия.
Электрические исполнительные механизмы являются наиболее распространенными и включают в себя электродвигатели и электромагнитный привод. В общем случае эти механизмы состоят из электродвигателя, редуктора, тормоза, соединительных муфт, контрольно-пусковой аппаратуры и специальных устройств для перемещения рабочих органов.
Рекламные предложения на основе ваших интересов:
В исполнительных механизмах применяют электродвигатели переменного (в основном асинхронные с короткозамкнутым ротором) и постоянного тока. Наряду с электродвигателями массового изготовления используют и специальные конструкции позиционного и пропорционального действия, с контактным и бесконтактным управлением.
По характеру изменения положения выходного органа электродвигательные исполнительные механизмы могут быть постоянной и переменной скорости, а также шаговыми.
По назначению их делят на одно-оборотные (до 360°), многооборотные и прямоходные.
Рис. 10.21. Пропорциональный исполнительный механизм
Пропорциональный исполнительный механизм (рис. 10.21) по конструкции похож на двухпозиционный двигатель. Однако возможность пропорционального регулирования достигается установкой на одном валу двух электродвигателей.
Первый вращает вал в одном направлении, второй — в противоположном. Кроме того, исполнительный механизм включает в себя редуктор, муфту и зубчатую рейку.
Пропорциональное регулирование (например, газового вентиля в дорожных ремонтерах) обеспечивается потенциометром, используемым для создания обратной связи в схеме.
Электродвигательные исполнительные механизмы применяют в основном при усилии не более 53 кН.
Рис. 10.22. Электромагнитный управляющий элемент
Рис. 10.23. Электромашинный толкатель
Электромагнитный привод используется для управления механизмами в гидро- и пневмоприводах, а также различными вентилями и заслонками. Принцип работы этого привода (рис. 10.22) состоит в поступательном перемещении на величину L металлического якоря относительно электромагнитного вала катушки, расположенной в корпусе.
Различают электромагнитные приводы одно- и двустороннего действия. В первом исполнении возврат якоря в исходное положение производится с помощью пружины, во втором — изменением направления управляющего сигнала. По типу приложения нагрузки привод бывает периодического и непрерывного действия.
С его помощью осуществляется релейное (открыто — закрыто) и линейное управление.
Электромагнитные вентили (для открывания в трубопроводах клапанов) по виду используемых чувствительных элементов делят на поршневые и мембранные. При значительных усилиях и длине перемещений используют электромашинный толкатель (рис. 10.23).
Принцип его действия основан на поступательном перемещении в обе стороны оси — винта относительно вращающейся, однако закрепленной, гайки. Вращение гайки, являющейся одновременно ротором, производится при включении в цепь питания трехфазной статорной обмотки.
На конце винта расположен прямой участок, представляющий собой шток (толкатель), перемещающийся в направляющих и воздействующий на конечный выключатель управляемого механизма. При необходимости толкатель работает с установленным редуктором.
Пневматические и гидравлические исполнительные механизмы, использующие энергию сжатого воздуха и минеральных масел (несжимаемой жидкости), делят на самостоятельные и на работающие совместно с усилителями. Так как принцип действия этих двух видов механизмов схож между собой, рассмотрим их совместно.
К самостоятельным механизмам относят цилиндры с поршнем и штоком одно- и двустороннего действия (см. гл. 1).
Исполнительные механизмы, объединенные с усилителями, имеют различные конструктивные решения, часть из которых рассмотрим ниже.
Основным в таком приводе является регулирование скорости движения штока, выполняемое с дроссельным или объемным регулированием.
При управлении с дроссельным регулированием используют золотниковые распределители или «сопло-заслонку». Работа гидропривода с дроссельным регулированием позволяет изменять величину перекрытия отверстий (т. е. дросселировать), через которые жидкость попадает в рабочий цилиндр (рис.
10.24, а). Перемещение золотниковой пары вправо позволяет маслу из напорной линии через канал попасть в полость А рабочего цилиндра и поршень будет перемещаться вправо. При этом масло, находящееся в полости Б, будет сливаться через канал в бак.
Перемещение золотника влево переместит в ту же сторону и поршень, а отработавшее масло будет сливаться из полости А в бак через канал.
При расположении золотниковой пары в среднем положении (так, как показано на рисунке) оба канала, соединяющих золотниковое устройство с рабочим цилиндром, перекрыты и поршень неподвижен.
Рис. 10.24. Поршневые исполнительные механизмы с усилителями
Работа пневмопривода с помощью «сопло-заслонки» (рис. 10.24, б) производится путем изменения давления в рабочем цилиндре и перемещения поршня на величину у за счет перемещения регулируемой заслонки. Через дроссель постоянного сопротивления воздух подается в камеру под постоянным давлением Рн.
В то же время давление в камере зависит от расстояния х между соплом (дросселем переменного сопротивления) и заслонкой, так как с увеличением этого расстояния давление снижается и наоборот.
Воздух под давлением Р поступает из камеры в нижнюю полость цилиндра, а в верхней расположена пружина, создающая за счет силы упругой деформации противоположное давление, равное Рн. Созданная разность давлений позволяет перемещать поршень вверх или вниз.
Вместо пружины в цилиндр может подаваться воздух или рабочая жидкость под давлением Рн. В соответствии с этим поршневые исполнительные механизмы называются механизмами одно-или двустороннего действия и обеспечивают усилия до 100 кН при перемещении поршня до 400 мм.
При управлении с дроссельным регулированием входным управляющим сигналом является величина перемещения золотниковой пары или открытия дросселя, а выходным — перемещение поршня в гидроцилиндре.
Гидро- и пневмопривод обеспечивают объекту управления возвратно-поступательное и вращательное движение.
При управлении с объемным регулированием управляющими устройствами являются насосы переменной производительности, выполняющие и функции усилительно-исполнительного механизма. Входным сигналом является подача насоса.
Большое распространение в качестве гидравлического исполнительного механизма имеют аксиально-поршневые двигатели, обеспечивающие плавное изменение угловой скорости выходного вала и количества подаваемой жидкости.
Наряду с рассмотренными выше поршневыми устройствами пневматические исполнительные механизмы выполняют мембранными, сильфонными и лопастными.
Мембранные устройства делят на беспружинные и пружинные. Беспружинные мембранные устройства (рис. 10.25, а) состоят из рабочей полости А, в которую поступает управляющий воздух под давлением Ру, и эластичной резиновой мембраны, соединенной посредством жестких центров со штоком.
Возвратно-поступательное движение штока осуществляется путем подачи в подмембранную полость Б сжатого воздуха с давлением Ро и за счет перемещения мембраны. Наиболее распространенными являются мембранно-пружинные устройства (рис. 10.
25, б), в которых результирующая сила Рр уравновешивается давлением на мембрану управляющего воздуха Ру и силой упругой деформации пружины 4—Fn.
При необходимости совершать поворотные движения в прямоходных исполнительных механизмах шток соединяется с шарнирно-рычажной передачей, показанной на рис. 10.25, б штриховой линией.
Мембранные исполнительные механизмы применяют для управления регулирующими органами с перемещением штока до 100 мм и допустимым давлением в рабочей полости до 400 кПа.
Сильфонные устройства (рис. 10.25, в) применяют редко. Они состоят из подпружиненного штока, перемещающегося вместе с герметичной гофрированной камерой за счет давления управляющего воздуха Ру. Их используют в регулирующих органах с перемещениями до 6 мм.
Рис. 10.25. Пневматические исполнительные механизмы
В лопастных исполнительных устройствах (рис. 10.25, г) прямоугольная лопасть перемещается внутри камеры за счет давления управляющего воздуха Ру, поступающего попеременно в одну или другую полость камеры. Эти устройства используют в исполнительных органах с углом поворота затвора на 60° или 90°.
В связи с тем, что практически ни один из приведенных приводов автоматических систем управления не применяют в настоящее время без ряда других элементов, служащих для регулирования привода, то в основном используют комбинированные исполнительные механизмы (электромагнитные золотниковые распределители пневмо- и гидропривода, электромагнитные муфты с электродвигателями и т. д.).
При выборе исполнительных устройств учитывают требования, предъявляемые к ним условиями эксплуатации. Основными из них являются: вид применяемой вспомогательной энергии, величина и характер требуемого выходного сигнала, допускаемая инерционность, зависимость рабочих характеристик от внешних влияний, надежность работы, габариты, масса и т. п.
Рекламные предложения:
Читать далее: Общее состояние автоматизации строительных машин
Категория: — Автоматизация строительных машин
Главная → Справочник → Статьи → Форум
Электрические исполнительные механизмы в системах АСУ ТП
Электрическим исполнительным механизмом в системах АСУ ТП обычно называют устройство, которое предназначенно для перемещения рабочего органа (задвижка, регулирующий клапан, пр.) в соответствии с сигналами, поступающими от управляющего устройства. Перемещение рабочих органов возможно как поступательно, так и вращательно в пределах как одного, так и нескольких оборотов. Следовательно, электрический исполнительный механизм при помощи рабочего органа осуществляет воздействие непосредственно на управляемый объект. Различают два основных вида исполнительных механизмов:
- электромагнитные, исполнительные механизмы, в которых в качестве электропривода применяется электромагнит, как правило используются на запорной арматуре (задвижки, пр.);
- электродвигательные, исполнительные механизмы, в которых в качестве электропривода используется электродвигатель с редуктором для снижения скорости вращения выходного вала (штока), что позволяет обеспечить непосредственное соединение механизма с рабочим органом.
В свою очередь исполнительные механизмы с электродвигателями делятся на однооборотные МЭО (в частности МЭО 40 и МЭО 1600), МЭОФ, применяются на запорной арматуре и на многооборотные МЭМ, применяются на регулирующих клапанах.
Так же многооборотные исполнительные механизмы имеют исполнение для непосредственного присоединения на шток регулирующего клапана, так называемые механизмы исполнительные прямоходные МЭП.
Так же были разработаны, но не получили широкого применения, исполнительные механизмы с неуправляемыми двигателями. В таких механизмах применяется управляемая электрическим сигналом механическая, электрическая или гидравлическая муфта.
Характерной их особенностью является двигатель, который работает непрерывно в течении всего времени регулирования, а сигнал управления от регулирующего прибора передается рабочему органу через управляемую муфту.
Исполнительные механизмы с управляемыми двигателями в свою очередь можно разделить по способу построения системы управления: — механизмы с контактным управлением; — механизмы с бесконтактным управлением.
Включение, отключение или реверсирование электродвигателей механизмов с контактным управлением производится с помощью релейной или контактной аппаратуры различных типов. Это является основной отличительной особенностью исполнительных механизмов с контактным управлением.
У таких механизмов скорость выходного вала не зависит от величины управляющего сигнала, который подается на вход исполнительного устройства, а направление перемещения выходного вала определяется фазой этого сигнала.
Поэтому исполнительные механизмы с контактным управлением относят, как правило, к исполнительным устройствам с постоянной скоростью перемещения рабочего органа. Для получения средней переменной скорости перемещения выходного вала (органа) исполнительного механизма при контактном управлении широко используется импульсный режим работы его электродвигателя.
В большинстве исполнительных механизмов, в том числе механизмах МЭО, МЭОФ, МЭП, предназначенных для работы в схемах с контактным управлением, используются реверсивные электродвигатели. Применение электродвигателей вращающихся только в одну сторону, на практике ограничено, но все же встречается.
К отличительным особенностям бесконтактных электрических исполнительных механизмов является повышенная надежностью и позволяющие относительно просто получать как постоянную, так и переменную скорость перемещения выходного органа. Для бесконтактного управления исполнительными механизмами используются электронные, магнитные или полупроводниковые усилители, а также их сочетания. При работе управляющих усилителей в релейном режиме скорость перемещения выходного органа исполнительных механизмов постоянна.
Исполнительные механизмы так же различают по исполнению: — в нормальном исполнении (общепромышленном); — в специальном исполнении (пылеводозащищенном, взрывозащищениом, тропическом, морском и т. п.).
В целом любой электрический исполнительный механизм (МЭО, МЭОФ, МЭП или др.) состоит из электропривода, редуктора, узла обратной связи, датчика указателя положения выходного элемента и конечных выключателей.
21. Электромагнитные исполнительные устройства
Глава 21
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
§ 21.1. Назначение электромагнитных исполнительных устройств
Исполнительные устройства в системах автоматики предназначены для приведения в действие (т. е. для привода) различных регулирующих органов, оказывающих непосредственное воздействие на объект управления с целью достижения выходной величиной этого объекта требуемого значения.
Существует большое разнообразие регулирующих органов: для изменения подачи жидкостей и газов в трубопроводах устанавливаются заслонки, клапаны, шиберы и краны; в подъемно-транспортных устройствах это различные контакторы, муфты, тормоза, вариаторы скорости; в осветительных и нагревательных электроустановках это различные коммутационные аппараты.
Для воздействия па регулирующие органы необходимо выполнить механическую работу: повернуть заслонку или крап, соединить две половинки муфты, переместить шестерню на валу коробки передач, замкнуть контакты и т. д. Входным сигналом исполнительного устройства в электрических системах автоматики является электрический ток или напряжение, а выходным сигналом — механическое перемещение.
Для преобразования электрической энергии в механическую служат электромагниты и электродвигатели. В данной главе будут рассмотрены только электромагнитные исполнительные устройства. Электродвигатели являются электрическими машинами и изучаются в соответствующем курсе.
Следует отметить, что почти всегда, когда ставится вопрос о разработке привода для регулирующего органа, приходится делать выбор между двумя вариантами: электромагнит или электродвигатель. Основное преимущество электромагнита — простота конструкции.
Уэлектродвигателя достоинств больше: высокий КПД, возможность получения любых скоростей и перемещений. Однако эти преимущества проявляются только в сравнительно сложных системах автоматики и при продолжительном режиме работы.
При необходимости иметь небольшие перемещения (несколько миллиметров) и усилия (несколько десятков—сотен ньютон) электромагниты выгоднее, чем электродвигатель с редуктором.
В предыдущих главах уже рассматривались электромагниты, используемые как составная часть электромагнитных реле и контакторов. В данной главе будут рассмотрены общие вопросы классификации электромагнитов, их расчета, конструирования, применения в качестве исполнительных элементов систем автоматики.
§ 21.2. Классификация электромагнитов
В зависимости от вида тока в обмотке электромагниты подразделяют на электромагниты постоянного и переменного токов, по скорости срабатывания — на быстродействующие, нормальные и замедленного действия. По назначению электромагниты разделяют на приводные и удерживающие.
Приводные электромагниты служат для выполнения механической работы.
При подаче питания они перемещают различные исполнительные устройства: клапаны, толкатели, заслонки, золотники, железнодорожные стрелки.
Они перемещают контакты реле и контакторов, печатающие и перфорирующие устройства. Для выполнения этой работы электромагниты должны быть рассчитаны на определенную силу и перемещение.
Удерживающие электромагниты служат не для перемещения, а лишь для удерживания ферромагнитных деталей. Например, электромагнит, используемый при подъеме железного металлолома, только удерживает его, а перемещение осуществляется подъемным крапом. В этом случае, электромагнит выполняет лишь роль крюка подъемного крана.
В металлообработке используются электромагнитные плиты для фиксации обрабатываемой детали на станке. Известны также электромагнитные замки. Поскольку удерживающие электромагниты не совершают работы, они рассчитываются лишь на определенное усилие.
В некоторых случаях электромагнит имеет две катушки: одна, более мощная, используется для перемещения якоря, а другая — лишь для удерживания якоря в притянутом положении.
Велико разнообразие электромагнитов специального назначения. Они используются для фокусировки электронных пучков в телевидении, в ускорителях элементарных частиц, в разнообразных измерительных приборах, в медицинской аппаратуре и т. д.
По конструктивному выполнению различают клапанные (поворотные), прямоходовые и электромагниты с поперечным движением. Клапанные электромагниты имеют» небольшое перемещение якоря (несколько миллиметров) и развивают большое тяговое усилие.
 |
Прямоходовые электромагниты имеют большой ход якоря и большее быстродействие; по размерам они меньше, чем клапанные. Часто они представляют собой соленоид (цилиндрическую катушку, втягивающую в себя ферромагнитный стержень), поэтому их иногда называют соленоидными электромагнитами.
Рис. 21.1. Варианты конструктивных схем электромагнитов
Различные конструкции электромагнитов показаны на рис. 21.1. Несмотря на большое их многообразие (далеко не все возможные конструкции показаны на этом рисунке), все они состоят из катушки 1, якоря (подвижного магнитопровода) 2, неподвижного магнитопровода (сердечника 3 и ярма 4).
Кроме того, они имеют различные пружины, крепежные, фиксирующие и передающие детали, корпус. По конструкции магнитной цепи различают электромагниты с разомкнутым (рис. 21.1, г, е) и замкнутым магнитопроводом (рис. 21.1, а, б, в, д, ж, з).
По форме магнитопровода различают электромагниты с П-образным, Ш-образным и цилиндрическим магнитопроводом.
Магнитопроводы электромагнитов постоянного тока обычно выполняются сплошными из магнитомягких материалов: обычных конструкционных сталей и низкоуглеродистых электротехнических сталей.
Высокочувствительные электромагниты имеют магнитопровод из пермаллоев (сплавов железа с никелем и кобальтом).
В быстродействующих электромагнитах стремятся к уменьшению вихревых токов, для чего используют электротехнические кремнистые стали с повышенным электрическим сопротивлением и шихтованный (наборный) магнитопровод.
Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод электромагнитов переменного тока собирают (шихтуют) из изолированных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. В качестве материала используются горячекатаные и холоднокатаные электротехнические стали. Отдельные части магнитопровода, которые трудно выполнить шихтованными, изготовляют из сплошного материала толщиной 2—3 мм.
Катушки электромагнитов по своей конструкции бывают каркасные и бескаркасные, а по форме сечения — круглые и прямоугольные. Провод каркасной катушки наматывают па каркас из изоляционного материала (текстолит, гетинакс, пластмасса).
Провод бескаркасной катушки наматывают прямо на сердечник, обмотанный изоляционной лентой, или па специальный шаблон. Для обеспечения прочности катушки, выполненной на шаблоне, ее обматывают лентой (бапдажируют) и пропитывают компаундным лаком.
Катушки, как правило, наматывают медным проводом с изоляцией, выбираемой исходя из назначения и условий работы электромагнита.
В зависимости от способа включения различают последовательные и параллельные катушки. Параллельные катушки имеют большое число витков и наматываются тонким проводом. Обычно они включаются на полное напряжение сети.
Последовательные катушки имеют сравнительно малое сопротивление, так как выполняются толстым проводом и с малым числом витков.
Ток такой катушки определяется не ее сопротивлением, а зависит от тех устройств, с которыми катушка включена последовательно.
Различают также электромагниты, предназначенные для длительной, кратковременной и повторно-кратковременной работы.
§ 21.3. Порядок проектного расчета электромагнита
Исходными данными для расчета электромагнита обычно являются требуемое тяговое усилие Fэ, ход (или угол поворота) якоря и напряжение питания U. Кроме того, в задании на проектирование указываются режим работы электромагнита и условия эксплуатации. Могут быть заданы требуемые быстродействие, габариты, вес, стоимость.
В результате расчета необходимо выбрать конструкцию электромагнита, материал магнитопровода, определить геометрические размеры магнитопровода и катушки, обмоточные данные.
На первом этапе проектного расчета необходимо выбрать конструкцию электромагнита, используя понятие конструктивного фактора А. Эта величина определяется в зависимости от тягового усилия и хода якоря :
 |
- (21.1)
- где — в Н; — в см.
- При используют прямоходовый электромагнит соленоидного типа; при —прямоходовый с коническим стопой; при -прямоходовый с плоским стопом; при 2,6
Виды исполнительных механизмов
Виды исполнительных механизмов
Абсолютно все исполнительные механизмы (МЭО), применяемые в различных бытовых и промышленных сферах, можно выделить две основные группы – это электромагнитные и электродвигательные.
К электромагнитным относятся соленоидные электроприводы, которые используются для управления различными устройствами, такими как вентиля, клапана и другими.
В этот перечень можно добавить электромагнитные муфты.
Отличительная черта электромагнитных механизмов от других, заключается в том, что управление запорными устройствами, осуществляется с помощью электромагнита, исполняющего функционирование всей структуры МЭО.
К электродвигательным исполнительным механизмам относятся те МЭО, которые работают на основе электрического двигателя. В состав таких механизмов входит редуктор, снижающий скорость кручения выходного вала. Используемые двигателя в механизмах бывают постоянного и переменного тока.
Бывают, так же без редукторные исполнительные механизмы, функционирование таких устройств обеспечивает пневматика или гидравлика. Такие разновидности МЭО не нашли широкое применение в управлении вращательными органами.
Используемые редуктора, для преобразования вращательной силы, выполняются из высококачественных металлов, обеспечивающие износостойкость и долговечность. Стоит отметить, что каждый редуктор должен иметь определенное КПД, для обеспечения соответствия мощности выходного вала с передаваемым редуктором электродвигателю.
Это означает, если выше КПД, тем меньше потребляемая мощность двигателя. Но в таких случаях это могло бы привести к вращению механизма в обратном направлении, при отключенном электродвигателе. Поэтому, такие механизмы имеют в своей конструкции специальные тормозные устройства.
Более того, тормозное устройство предотвращает инерционное вращение электродвигателя после прекращения подачи питания на него. Для удобного эксплуатирования электрических МЭО обычно имеют аппараты для дистанционного регулирования и контроля положения вращательного органа.
При отсутствии питания на двигателе МЭО, механизм должен иметь ручное управление регулирования органом. С целью безопасности, при работе МЭО, вращательный элемент ручного управления механизмом, не должен вращаться.
- Классификация электродвигательных МЭО
- По назначению: — с вращательным движением выходного вала — многооборотные — с вращательным движением выходного вала — однооборотные — с прямолинейным движением выходного вала – прямоходные
- По характеру действия: — позиционного действия
- — пропорционального действия
- По скорости движения выходного элемента: — с переменной скоростью вращения выходного вала или движения выходного штока
- — с постоянной скоростью вращения выходного вала или движения выходного штока
- По системе управления электродвигателем: — с контактным управлением электрическим двигателем
- — с бесконтактным управлением электрическим двигателем
- По исполнению: — в нормальном исполнении;
— в специальном исполнении (пыле-водо-защищенном, взрывобезопасном, тропическом, морском и т. п.)
На данный момент существует огромное количество разнообразных электрических исполнительных механизмов для аналогичного назначения с практически одинаковыми техническими параметрами.
Разный конструктив механизмов затрудняет использование одного и того же устройства в одинаковых условиях и аналогичными параметрами, так как могут, к примеру, не совпадать посадочные места, либо возможные крепления и габаритные размеры не всегда соответствуют требованиям документации.
Не так давно начаты работы по обобщению технической документации электрических исполнительных механизмов всех типов, для создания единой серии однотипных механизмов промышленного использования.
Исполнительные устройства. Виды ИУ
Исполнительное устройство осуществляет при поступлении на его вход сигналов управления определенные воздействия на объект регулирования. К ним относятся электродвигатели, муфты, тяговые электромагниты, реле и т.п. Исполнительные устройства через рабочие органы воздействуют на объект регулирования.
Рабочие органы обеспечивают при выполнении технологической операции соответствующее воздействие на среду, изменяя ее температуру, состав, давление, скорость, расход и т.п.
Рабочими органами могут быть различного рода заслонки, клапаны, задвижки, шиберы, направляющие аппараты, электрические нагреватели (трубчатые, СВЧ, ИК-излучатели) и другие устройства, так или иначе непосредственно влияющие на протекание технологической операции.
Исполнительное устройство обычно состоит из двигателя, передаточного или преобразующего узла (например, редуктора), а также систем защиты, контроля и сигнализации положения выходного элемента, блокировки и отключения. Классифицируются исполнительные устройства по виду используемой энергии на гидравлические, пневматические, электродвигательные и электромагнитные.
Электрические исполнительные устройства. Электрические исполнительные устройства можно разделить на электромагнитные и электродвигательные.
К электромагнитным исполнительным устройствам относятся прежде всего соленоидные электроприводы, предназначенные для управления различного рода регулирующими и запорными вентилями, золотниками и т. п. Необходимое для перемещения рабочего органа усилие в них создается за счет электромагнита, являющегося неотъемлемой частью подобного исполнительного устройства.
орган – заслонки, задвижки, клапаны, рычаги и т.п.). При подаче на электромагнит питающего напряжения U под действием возникающего при этом электромагнитного усилия якорь 3 поднимается вверх на величину воздушного зазора l.
Электромагниты делятся на электромагниты постоянного и переменного тока, на удерживающие и притягивающие, на длинноходные (ход якоря до 150 мм) и короткоходные (ход якоря 2…5 мм); с поступательным движением якоря и с поворотным якорем.
Электромагниты широко применяются в электропневматических и электрогидравлических исполнительных устройствах для перемещения золотника. Электродвигательны исполнительные устройства. В них используют электродвигатели постоянного и переменного тока.
Большинство электродвигательных исполнительных устройств работает в режиме, когда скорость перемещения не зависит от величины отклонения регулируемого параметра от заданного значения.
Асинхронный электродвигатель. Асинхронный электродвигатель является машиной переменного тока, состоящей из статора и ротора. Статор представляет собой полый цилиндр, составленный из листов электротехнической стали; листы имеют форму колец со штампованными пазами. В пазах, находящихся на внутренней поверхности цилиндра , укладывается статорная обмотка.
Эта обмотка выполняется так, что при включении ее в сеть трехфазного переменного тока в расточке статора (внутри цилиндра) образуется магнитное поле, вращающееся вокруг оси статора с постоянной скоростью. Ротор машины имеет вид цилиндра, набранного из круглых листов стали. У поверхности ротора вдоль его образующих расположены проводники, составляющие обмотку ротора.
Проводники представляют собой замкнутые в кольцо провода, уложенные в пазы ротора. Обмотка ротора не связана с внешней электрической сетью – между ротором и статором имеется воздушный зазор. У асинхронного двигателя движущий момент возникает в роторе как результат взаимодействия вращающегося магнитного потока с индуктируемыми им в роторе токами.
Этот момент увлекает ротор в сторону вращения магнитного потока.
Электродвигатели постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока служат для привода различных установок и механизмов, в которых требуется простое и экономичное регулирование скорости вращения в широком диапазоне. Для получения энергии постоянного тока разработаны и широко применяются различные преобразователи переменного тока в постоянный.
Двигатель постоянного тока состоит из корпуса, на котором крепятся два диаметрально расположенные полюса с обмотками полюсов (возбуждения).Полюса установлены таким образом, чтобы они вместе с корпусом составляли единую магнитную систему N-S. Вместо обмоток иногда применяют помтоянные магниты.
Внутри корпуса по его оси находится якорь-цилиндр с обмоткой, выходной вал которого вращается в подшипниках. Обмотка якоря представляет собой равномерно распределенные по окружности витки, концы которых выходят наружу и подсоединяются к источнику постоянного напряжения через коллектор. Гидравлические исполнительные устройства.
Они преобразует энергию потока рабочей жидкости в энергию механического движения поршня (поступательное движение) или ротора (вращательное движение) и состоят из двух элементов: управляющего и исполнительного. Поток рабочей жидкости создается специальным гидравлическим насосом, приводимым в движение электрическим или иным двигателем.
В зависимости от вида управляющего элемента различают гидравлические исполнительные устройства с золотниковым и объемным регулированием. Гидравлические исполнительные механизмы с объемным регулированием управляются за счет изменения производительности насоса, а золотниковые — с помощью перекрываемых отверстий. Золотник управляется электромагнитным приводом.
Схема гидравлического исполнительного устройства приведена на рис.12.7. Оно состоит из цилиндра 7 с поршнем 2, соединенным со штоком 4, который приводит в движение рабочий орган. Цилиндр имеет два отверстия 5 и 6 через которые насосом подается рабочая жидкость (масло). Масляный насос подает через отверстие 5 масло с расходом Q в полость цилиндра 1, которое создает в нем давление Pб. Благодаря этому давлению поршень 2 перемещается вправо. При этом масло из полости 3 выходит через отверстие 6. Если масло подается в полость 3 через отверстие 6, то поршень под действием давления Pа перемещается влево. Скорость перемещения поршня исполнительного механизма зависит от площади F поршня и расхода Q рабочей жидкости. Вместо поршня используют иногда эластичную мембрану, закрепленную в центре цилиндра. Мембранные гидравлические исполнительные устройства имеют небольшой ход штока – не более нескольких сантиметров. Поршневые гидравлические исполнительные устройства могут иметь ход поршня до нескольких десятков сантиметров.
Гидравлические исполнительные устройства обладают очень большим быстродействием и выходной мощностью, потому их применяют в системах автоматизации мобильных машин и агрегатов.
Усилия, развиваемые гидравлическими исполнительными устройствами, могут достигать нескольких десятков тонн.
Однако их применение непосредственно в оборудовании переработки продукции иногда ограничивают по санитарным условиям – масло, используемое в подобных устройствах, может попасть непосредственно в пищевой продукт.
Пневматические исполнительные механизмы. По устройству аналогичны гидравлическим. Они получили распространение благодаря высокой надежности, простоте конструкции и возможности получения усилий до нескольких тонн. Усилия, развиваемые пневматическим приводом, сравнительно невелики.
Это связано с тем, что силовое давление воздуха в промышленных пневмосетях составляет обычно 0,4…0,6 МПа. Обычно используют поршневые и мембранные исполнительные механизмы, так как они просты по конструкции и имеют высокую надежность.
По сравнению с электрическим приводом поступательного движения, развивающим те же усилия, пневмопривод значительно легче, дешевле и проще по конструкции. Широкое внедрение технических средств пневмоавтоматики объ-
ясняется высокой пожаро- и взрывобезопасностью, надежностью и дешевизной. Общие недостатки пневматических и гидравлических исполнительных устройств: сложность операций по их наладке и, главное, необходимость в специальных компрессорных (насосных) установках для их питания.
1. Классификация исполнительных устройств
Исполнительное
устройство служит для изменения
регулирующего воздействия в соответствии
с сигналом, подаваемым на его вход от
управляющего устройства. Исполнительное
устройство в общем случае состоит из
усилителя, серводвигателя и регулирующего
органа.
Регулирующий орган
может быть выполнен в виде вентиля,
клапана, задвижки, крана, шибера, заслонки
и др., которые устанавливаются на
трубопроводах и газоходах с протекающими
по ним жидкостью, газом, паром и т. п.
Иногда исполнительный механизм
(серводвигатель и регулирующий орган)
выполняется в одном блоке.
В зависимости от
вида применяемой вспомогательной
энергии исполнительные механизмы можно
разделить на гидравлические, пневматические
и электрические.
Гидравлические и
пневматические исполнительные механизмы
характеризуются: а) простотой конструкции;
б) большими выходными моментами или
усилиями при малых габаритах; в) высоким
к.п.д.; г) большой надежностью.
По своей
конструкции эти серводвигатели
исполнительных механизмов можно
разделить на: 1) поршневые двигатели; 2)
мембранные двигатели; 3) шестеренчатые
двигатели.
Электрические
исполнительные механизмы характеризуются:
а) разнообразием типов электродвигателей;
б) простотой питания в промышленных
условиях; в) легкостью получения больших
скоростей.
В качестве серводвигателей
электрических исполнительных механизмов
используются: 1) двигатели постоянного
тока; 2) двигатели переменного тока; 3)
соленоидные или электромагнитные
двигатели.
Последние применяются обычно
для перемещения регулирующего органа
клапанного типа.
Выбор того или
иного типа исполнительного механизма
зависит от типа применяемого регулирующего
устройства. В нефтяной промышленности
большое применение находят пневматические
исполнительные механизмы, отличающиеся
надежностью действия и полной безопасностью
в пожарном отношении.
Выбор исполнительного
механизма обычно определяется следующими
основными факторами: 1) применяемым
видом вспомогательной энергии; 2)
величиной и характером требуемого
перестановочного усилия или мощности;
3) допустимой инерционностью; 4) желательными
габаритами и весом; 5) зависимостью
рабочих характеристик от внешних
влияний; 6) надежностью.
Исполнительные
устройства общепромышленного применения
должны удовлетворять ряду требований,
связанных с их рабочими и эксплуатационными
характеристиками, а также с конструкцией
самих устройств.
Исполнительное
устройство должно обеспечить заданную
точность и скорость отработки сигналов,
поступающих на вход исполнительного
устройства.
Точность отработки сигналов
определяет в свою очередь необходимую
чувствительность устройства и,
следовательно, параметры входящих в
него усилителей.
Обычно чувствительность
исполнительных устройств должна лежать
в пределах от единиц до сотен милливольт.
Скорость отработки
или быстродействие исполнительного
устройства определяется временем
перемещения регулирующего органа из
одного крайнего положения в другое при
подаче на вход исполнительного устройства
максимального сигнала.
Это время зависит
от скорости вращения приводного двигателя
и передаточного отношения редуктора.
Выбор быстродействия исполнительного
устройства осуществляется в зависимости
от известных динамических характеристик
регулируемого объекта.
Для обеспечения
требуемого качества регулирования
исполнительное устройство должно
отрабатывать с малыми искажениями
сигнала в определенной полосе частот.
Выбег выходного вала при снятии
управляющего сигнала, а также люфты в
исполнительном устройстве, ухудшающие
качество переходного процесса, должны
быть по возможности небольшими.
С
целью устранения выбегов регулирующего
органа применяется торможение
электрического двигателя.
В электрических
исполнительных механизмах, с номинальным
моментом до 25 кгм
допустимый
выбег выходного вала не должен превышать
0,5°, а для механизмов с номинальным
моментом выше 25 кгм
—
1°. С целью уменьшения времени разгона
двигателя, т. е.
инерционности
исполнительного механизма, пусковой
момент двигателя обычно выбирается в
2—2,5 раза больше номинального момента.
Время полного оборота выходного вала
Тми
номинальный момент Мнна
выходном валу электрических исполнительных
механизмов выбираются в соответствии
с ГОСТом на исполнительные механизмы.
Для исполнительных устройств переменной
скорости время полного оборота выходного
вала определяется при максимальной
скорости вращения двигателя и номинальной
нагрузке.
Максимальный
рабочий угол поворота выходного вала
исполнительных механизмов может быть
равным 90°, 120°, 180°, 270° — и для многооборотных
механизмов 360°-n,
где n—
целое число.
Питание
электрических исполнительных механизмов
в соответствии с ГОСТ 7192—51 может
осуществляться от сети переменного
тока промышленной частоты 50 гц
с
напряжением 127, 220 или 300 в.
Колебания
напряжения сети в пределах от + 5 до —15%
от номинального значения не должны
сказываться на нормальной работе
исполнительного механизма.
Исполнительные
механизмы должны иметь устройство
дистанционного управления регулирующим
органом. Кроме того, для ручного
перемещения регулирующего органа
исполнительные механизмы с номинальным
моментом на выходном валу свыше 6 кгм
должны
иметь штурвалы.
Для
отключения двигателя при достижении
регулируемым органом крайних положений
исполнительные механизмы должны иметь
концевые выключатели. В случае
многооборотных исполнительных устройств
концевые выключатели должны допускать
вращение вала на 360°n
оборотов.
Исполнительные
устройства должны надежно работать в
промышленных условиях, а в некоторых
случаях должно быть предусмотрено
выполнение исполнительного механизма
для работы во взрывоопасной среде.
Исполнительные
устройства должны быть надежными и
простыми в эксплуатации. С этой точки
зрения предпочтение следует отдать
бесконтактным исполнительным устройствам.
Исполнительные
устройства с электродвигательным
приводом в свою очередь можно разбить
на две подгруппы: с контактным и
бесконтактным управлением электродвигателем.
Для управления
исполнительным двигателем исполнительного
устройства с контактным управлением,
применяются реле и контакторы,
обеспечивающие включение, отключение
и реверсирование двигателя.
Исполнительные
устройства этой группы обычно выполняются
с постоянной скоростью перемещения
регулирующего органа независимо от
величины управляющего сигнала, подаваемого
на вход исполнительного устройства.
Принципиально
можно получить и переменную скорость
вращения вала исполнительного устройства
с контактным управлением, если использовать
импульсный режим работы двигателя.
Однако такие исполнительные устройства
имеют пока ограниченное применение.
Большинство
исполнительных устройств постоянной
скорости выполняются с реверсивными
схемами управления двигателями.
Наряду
с
этим
имеются исполнительные устройства
постоянной скорости, в которых двигатели
всегда вращаются в одном направлении,
например, двухпозиционные исполнительные
механизмы типов ДР и ДР-1.
Исполнительные
устройства с нереверсивным электродвигателем
по конструктивному выполнению могут
быть с вращательным движением выходного
вала или с поступательным перемещением
выходного штока. В некоторых исполнительных
устройствах (например, типов ПΡ
и
ДР) предусмотрено по выбору вращательное
или поступательное движение.
Исполнительные
устройства с вращательным движением
выходного вала в зависимости от
конструкции приводимого ими регулирующего
органа могут выполняться как однооборотные,
так и многооборотные или постоянно
вращающиеся. Многооборотные исполнительные
механизмы предназначены в основном для
перемещения запорных вентилей и задвижек.
В исполнительных
устройствах с бесконтактным управлением
для управления двигателями могут быть
использованы электронные, магнитные
или полупроводниковые усилители, а
также их комбинации.
Бесконтактные
исполнительные устройства могут быть
выполнены с переменной и постоянной
скоростью вращения выходного вала. В
этих исполнительных устройствах
целесообразно применять только
реверсивные схемы управления двигателем,
обеспечивающие остановку регулирующего
органа в любом промежуточном положении.
Бесконтактные
исполнительные устройства по
конструктивному выполнению могут иметь
также вращательное движение выходного
вала или поступательное движение
выходного штока. Устройства с вращательным
движением могут быть однооборотными,
многооборотными или постоянно
вращающимися.
Приведенная
классификация охватывает только основные
типы исполнительных устройств.
Электрические исполнительные механизмы
Электрические исполнительные механизмы — это устройства, предназначенные для перемещения рабочего органа в соответствии с сигналами, которые поступают от регулирующего или управляющего устройства.
Состав механизма
Обычно электрический исполнительный механизм состоит из следующих компонентов:
- электродвигатель асинхронный,
- редуктор,
- узел обратной связи,
- датчик указателя положения выходного элемента,
- тормоз,
- конечные выключатели,
- соединительные муфты и др.
Классификация ЭИМ
Исполнительные механизмы классифицируют по нижеследующим признакам.
По принципу действия — электромагнитные и электродвигательные.
К электромагнитным, прежде всего, относятся соленоидные электроприводы. Наиболее распространена в настоящее время группа ЭИМ с электродвигателями различных конструкций и типов.
По способу сочленения с арматурой — механизмы и приводы:
- механизмы — МЭО выносные, устанавливаются на спецплощадках рядом с арматурой и соединяются с ней системой рычагов и тяг;
- приводы — МЭМ, МЭОФ, МЭПК, МЭП встроенные, устанавливаемые на арматуру и соединяемые с ней монтажными частями.
- По виду используемой ими энергии — механизмы гидравлические, пневматические, электрические, комбинированные.
- По характеру работы выходного органа — однооборотные, многооборотные, поступательного движения.
- По конструктивному исполнению — механизмы поршневые и мембранные.
- По характеру действия обратной связи — механизмы непрерывного и периодического действия.
- По системе управления двигателем — контактное управление либо бесконтактное управление.
Принцип действия
Исполнительный механизм при помощи рабочего органа производит прямое воздействие на объект управления. Происходит это так: управляющий сигнал поступает к двигателю и тормозу, устройство растормаживается, двигатель приводит в действие рабочий орган.
При исчезновении управляющего сигнала двигатель отключается, и тормоз останавливает механизм.
Простая схема, небольшое число элементов, формирующих регулирующее воздействие, высокие эксплуатационные качества сделали ЭИМ основными механизмами при создании исполнительных устройств в современных системах автоматического регулирования.
Основные функции
- Автоматические или дистанционные перемещения рабочего органа арматуры.
- Дистанционный или автоматический останов рабочего органа в каком-либо промежуточном положении.
- Возможность позиционирования рабочего органа в каком-либо промежуточном положении.
- Возможность ручного перемещения рабочего органа.
- Формирование сигнала о промежуточном или конечном положении рабочего органа и динамике его перемещений.
Область применения
Данные механизмы широко применяются во всех отраслях производства для работы разного рода дроссельных заслонок, клапанов, задвижек, шиберов, направляющих аппаратов и других регулирующих и запорных органов. При этом перемещаться рабочие органы могут как поступательно, так и вращательно от одного до нескольких оборотов.