Виконавчі елементи та пристрої.

Виконавчі елементи (ВЕ) систем автоматики призначені для створення управляючої дії на регулюючий орган (РО) об'єкту управління (ОУ). При цьому змінюється положення або стан РО, що приводить зрештою до зміни положення або стану ОУ відповідно до алгоритму управління.

Виконавчі елементи залежно від управляючої дії на виході діляться на два види: силові і параметричні.

Зміна просторового положення РО можливо в тому випадку, якщо ВЕ створює управляючу дію у вигляді сили або моменту. Такі виконавчі елементи одержали назву – силові, до них відносяться електромагніти, електромеханічні муфти, різні види двигунів.

Пристрій, що містить двигун, редуктор і елементи управління двигуном (підсилювач, реле, контактор, і т. д.), називають силовим приводом, або просто приводом.

Залежно від виду енергії, що підводиться до двигуна, розрізняють електро-, пневмо- і гідропривід. Знаходять застосування і комбіновані приводи: електрогідравлічні, електропневматичні і пневмогідравлічні.

Ще одним різновидом є слідкуючий привод, який відтворює на виході задане на вході переміщення, але з великим механічним підсиленням, тобто момент або сила на виході істотно більша, ніж на вході. Слідкуючий привід широко застосовується в автоматичних маніпуляторах (роботах), верстатах з ЧПУ (числовим програмним управлінням), для управління прокатними станками, антенами радіолокаторів, в космічній і ракетній техніці і т.д.

Формально цей привод відноситься не до елементів автоматики, а до пристроїв, оскільки в ньому об'єднуються декілька елементів. Але в складних (комплексних) САУ привод може розглядатися як один функціональний елемент - виконавчий.

Зміна стану РО пов'язана із зміною його параметрів (опору, магнітного потоку, температури, швидкості і т. д.) або енергетичних параметрів, що підводяться до РО (напруги, струму, частоти, фази - в електричних пристроях; тиск робочого середовища - в пневматичних і гідравлічних пристроях).

Виконавчі елементи, що змінюють стан РО, називаються параметричними. Наприклад, в автоматичному управляючому пристрої термостата ВЕ є підсилювач, навантаженням якого служить нагрівальний елемент РО термостата. При відхиленні температури від заданого значення змінюється вхідна напруга підсилювача; при цьому змінюється і вихідна напруга, а отже, і струм в нагрівальному елементі і температура в термостаті теж змінюється. У цьому пристрої підсилювач вміщує в собі функції підсилювача і виконавчого елементу. Він створює управляючу дію (напруга, струм), що змінює температуру гріючого елементу, тобто параметр РО. Таке використання підсилювачів досить часто зустрічається в пристроях автоматики. Підсилювачі одночасно є різновидом параметричних виконавчих елементів. Особливо часто як параметричні ВЕ використовуються електромагнітні реле, контактори, тиристорні і транзисторні реле.

Залежно від характеру руху вихідного валу ВЕ їх можна розділити на три типи: з лінійним, поворотним (кут повороту менше 360°) і з обертальним рухом (кут повороту більше 360°).

Статична характеристика ВЕ може мати будь-який вигляд (лінійна, нелінійна, реверсивна, нереверсивна і т. д.).

До силових виконавчих елементів пред'являється ряд вимог, які обумовлені конструкцією і алгоритмом роботи ОУ, умовами експлуатації і т.д.

Основними вимогами, яким повинні задовольняти характеристики і параметри ВЕ, є наступні:

1) Максимальна сила або момент, що розвивається ВЕ повинні бути явно більше, ніж максимальна сила або момент, що необхідні для переміщення РО об'єкту управління у всіх режимах роботи;

2) Висока швидкодія;

3) Максимальне значення ККД;

4) Характеристика ВЕ повинна бути близька до лінійної, якщо в процесі роботи управляюча дія, створювана виконавчим елементом, повинна плавно регулюватися;

5) Поріг чутливості мінімальний;

6) Потужність, необхідна для управління ВЕ повинна бути невеликою;

7) Висока надійність і довговічність;

8) Невеликі розміри і маса.

 

Виконавчі пристрої (ВП) є кінцевими елементами автоматичних систем. Вони виробляють керуючу дію, що поступає до об'єкту керування САУ з метою реалізації заданого алгоритму його функціонування. Енергія живлення поступає до ВП із зовнішнього джерела, а для керування роботою ВП використовуються сигнали різних підсилювачів. По виду енергії, що використовується, ВП діляться на електричні, гідравлічні і пневматичні.

У свою чергу електричні ВП класифікуються таким чином:

- електричні двигуни постійного струму;

- електричні двигуни змінного струму;

- електромагнітні (порошкові) муфти;

- двигуни поступу;

- інтегруючі підсилювачі постійного струму (розповсюджені у пристроях електронної автоматики).

ВП повинні задовольняти таким основним вимогам:

- висока швидкодія;

- забезпечення необхідної потужності, достатньої для переміщення об'єкту керування у всіх режимах роботи САК;

- забезпечення можливості повільного регулювання швидкості руху об'єкту у широких межах;

- лінійність статичної характеристики;

- статична характеристика мас бути реверсивною.

Виконавчі двигуни.

Виконавчі пристрої (ВП) широко використовуються у системах автоматики міського господарства - це регульовані електродвигуни постійного та змінного струму. Вони призначені для перетворення електричного сигналу кута повороту чи частоти обертання валу.

 

Двигуни постійного струму.

Двигуни постійного струму використовуються у силових приводах.

Вони класифікуються:

- за способом збудження - двигуни з незалежним збудженням (послідовним, паралельним, мішаним) і двигуни з збудженням від постійних магнітів.

- за способом керування - двигуни з якірним керуванням і двигуни з полюсним керуванням.

- за конструктивним виконанням - двигуни з звичайним виконанням і швидкодіючі двигуни.

Двигуни змінного струму.

Принцип дії двигунів змінного струму заснований на використанні енергії обертового магнітного поля, що створюється ротором.

Електродвигуни, в яких частота обертання ротора дорівнює частоті обертання магнітного поля статора, називають синхронними.

Електродвигуни, в яких частота обертання ротора менша за частоту обертання магнітного поля статора, називаються асинхронними. В пристроях автоматики часто використовуються асинхронні електродвигуни, що поділяються на однофазні, двофазні і трифазні.

Однофазні електродвигуни мають невелику потужність і використовуються головним чином у пристроях нерегульованого електроприводу.

Трифазні електродвигуни використовуються, як правило, у пристроях нерегульованого електроприводу з потужністю від одиниць ват (Вт) до декількох тисяч ват (Вт). Інколи вони використовуються у регульованому електроприводі, але це ускладнює схему вмикання двигуна. Вони також використовуються як привод потужних вентиляторів у пристроях пам'яті ЕОМ на магнітних дисках і магнітних барабанах.

Найбільш широке застосування у САУ знайшли двофазні асинхронні електродвигуни, як правило - в пристроях регульованого електроприводу середньої потужності (від десятих до сотень ват (Вт)).

В залежності від конструкції ротора двофазні асинхронні двигуни діляться на двигуни з коротко замкнутим ротором і порожнистим (фазним) немагнітним ротором. У швидкодіючих пристроях регульованого електропривода використовуються електродвигуни з порожнистим немагнітним ротором (виконаним з алюмінію), тобто яка має мінімальний момент інерції.

Принцип роботи двофазного асинхронного двигуна заснований на утворенні обертового магнітного поля при подачі на обмотку збудження і обмотку керування статора змінних напруг зсунутих за фазою на 90⁰.

Питання та завдання для самоконтролю

 

1. Яке призначення виконавчих елементів в системах автоматики?

2. Що являє собою виконавчий пристрій, класифікація ВП?

3. Дайте визначення, що являють собою виконавчі двигуни, та їх класифікація?

Реле.

Реле – це прилади, які реагують на зміни струму, напруги, температури, швидкості і замикають або розмикають свої контакти при досягненні певного значення величини струму, напруги, температури і т. д.

Розрізняють реле:

- за характером вхідного сигналу: реле струму, напруги, потужності, швидкості, тиску та інше, вихідною величиною зазвичай є електричний сигнал;

- за принципом дії: електромагнітні, магнітоелектричні, індукційні, напівпровідникові, теплові і ін. Існують реле, що реагують на різницю будь-яких величин (диференційні).

- за дією на керуюче коло: контактні і безконтактні.

Контактні - замикають або розмикають електричне коло контактами, які називають замикаючими або розмикаючими.

Безконтактні - можуть різко змінювати свій внутрішній опір від нуля до нескінченості, що приводить до стрибкоподібної зміни струму.

При виборі реле для конкретного пристрою автоматики і при порівнянні реле різних типів користуються рядом параметрів, що характеризують властивості реле.

До них відносяться наступні параметри:

Струм спрацьовування I_сп (потужність спрацьовування Р_сп) - струм
(або потужність), який потрібно подати на обмотку реле для його
надійного спрацьовування.

Струм відпускання I_в (потужність відпускання Р_в) - струм (або
потужність) в ланцюзі обмотки, при якому реле вимикається - відпускає.

Керована потужність (струм, напруга) - параметр електричного кола, яким управляють контакти реле.

Коефіцієнт управління К_у - відношення керованої потужності (струму, напруги) до потужності (струму, напруги) спрацьовування.

Час спрацьовування реле - інтервал часу від моменту подачі струму в обмотку реле до початку дії контактів на кероване коло.

Довговічність - гарантоване число спрацьовувань реле, при номінальному навантаженні в колі контактів.

Комутаційні можливості реле - число і тип контактів реле.

 

Питання та завдання для самоконтролю

 

1. Що являє собою реле, основне призначення та галузь використання?

2. Назвіть основні різновиди реле.

3. Якими параметрами характеризуються властивості реле?