Принципи функціонування виконавчих меха¬нізмів. Виконавчий елемент.

 

ВИКОНАВЧІ МЕХАНІЗМИ

Для здійснення впливу системи автоматичного керування на об'єкт керування призначені виконавчі пристрої або механізми (aktuators).

Виконавчий механізм — у системах автоматичного регулювання — пристрій, що безпосередньо здійснює механічне переміщення (чи поворот) регулюючого органу об'єкта управління і змінює його стан.

Складають одну з останніх ланок системи автоматичного регулювання. Використовуються для управління органами регулювання.

Зміна положення регулюючого органу викликає зміну потоку енергії або матеріалу, що поступають на об'єкт, і тим самим впливає на робочі машини, механізми і технологічні процеси, усуваючи відхилення регульованої величини від заданого значення. Виконавчий механізм не лише змінює стан керованого об'єкта, але і переміщає регулюючий орган відповідно до заданого закону регулювання при мінімально можливих відхиленнях. У більшості випадків виконавчі механізми діють від сторонніх джерел енергії, оскільки безпосереднє управління виконавчим механізмом від первинних елементів регулювання (реле, датчиків тощо) неможливе внаслідок їхньої малої потужності, недостатньої для впливу на регулюючий орган.

Виконавчий механізм, як правило, складається з сервомотора постійного або змінного струму та джерела живлення. Ряд виконавчих механізмів включають також підсилювачі.

Якщо датчики перетворюють фізичні величини, що ха­рактеризують об'єкт керування, в електричний сигнал, то виконав­чі пристрої здійснюють обернену дію, перетворюють сигнал системи керування у фізичну величину, що змінює перебіг технологічного процесу в потрібному напрямі. У сучасних автоматичних системах керування основні операції обробки інформації виконує комп'ютер або мікропроцесор, тому виконавчі пристрої мають здійснювати перетворення цифрового вихідного сигналу комп'ютера у фізичну величину. Наприклад, у станках з числовим програмним управлінням (ЧПУ) вихідний цифровий сигнал з керівного мікропроцесора перетворюється у переміщення робочого органу станка (різця, фрези тощо) і переміщення деталі, що обробляється на цьому станку. У хімічних процесах цифровий сигнал перетворюється у переміщення робочих органів, що регулюють надходження вхідних реагентів, температуру в реакторі тощо.

У складі виконавчого пристрою можна виділити дві частини: малопотужну частину, яка складається з перетворювача (transducer) і підсилювача (amplifier), і потужну частину, що складається з по­тужного перетворювача (converter) і вихідного виконавчого механізму. В деяких виконавчих механізмах окремі частини мо­жуть бути відсутніми.

Виконавчі механізми характеризуються такими параметрами, як: точність, робочий діапазон, швидкодія, потужність, габарити тощо.

Виконавчі механізми поділяються на двопозиційні (бінарні) й аналогові. За видом споживаної енергії виконавчі механізми поділяють на електричні, пневматичні і гідравлічні. Найбільшого поширення набули електричні ВМ. Пневматичні і гідравлічні виконавчі механізми застосовуються у разі необхідності отримання великої потужності при переміщенні робочого органу та у вибухонебезпечних середовищах.

Конструкції виконавчих механізмів різноманітні. У першу чергу вони розрізняються за характером руху вихідної ланки (прямохідні і поворотні) і за видом чутливого елемента, який перетворює енергію командного сигналу в переміщення вихідної ланки. Вид використовуваної енергії також позначається на конструктивному оформленні виконавчого механізму.

Двопозиційні виконавчі механізми. У системах автоматичного керування досить поширені бінар­ні виконавчі механізми. За родом фізичної величини двопозицій­ні виконавчі пристрої поділяються на електричні, механічні, гід­равлічні, пневматичні тощо.

Електричні двопозиційні виконавчі пристрої це: вимикачі, перемикачі, комутатори, контактори, реле тощо.

Потужність вихідних сигналів комп'ютера дуже мала (<100 мВт), тому безпосередньо подавати такий сигнал на виконавчі пристрої не можна. Їх необхідно спочатку підсилити. Для цього використо­вуються керовані вимикачі.

Електромагнітні реле. До винайдення і застосування на практиці напівпровідникових приладів як керований вимикач застосовувалися електромагнітні реле, які продовжують широко використовуватися і в наш час. Елект­ромагнітне реле складається з електромагніта, по обмот­ці якого протікає струм керування, і контактів, що механічно пере­міщуються під дією магнітного поля, створеного електромагнітом, замикаючи чи розмикаючи електричне коло виконавчого пристрою.

Таким чином, за допомогою електромагнітного реле можна керу­вати значними струмами, використовуючи незначні.

Важливою властивістю електромагнітного реле є електрична ізоляція керівного і виконавчого електричних кіл, завдяки чому значні струми виконавчих пристроїв не впливають на кола керу­вання, зокрема на коло керування комп'ютера. Електромагніт­ні реле мають незначний опір контактів у замкненому стані (деся­ті і соті частки ома) і великий опір, який визначається опором повітряного проміжку в розімкнутому стані.

До недоліків електромагнітних реле слід віднести низьку швидкодію (кілька мілісекунд) порівняно з напівпровідниковими перемикачами, швидкодія яких становить мікросекунди і навіть частки мікросекунд. Крім того, для реле, як і для механічних перемикачів, характерне «брязкання» контактів, тобто багатора­зове вмикання і розмикання контактів у перехідному процесі вна­слідок механічної інерції після ввімкнення струму в обмотку реле. Обмотка електромагнітного реле вмикається, здебільшого, під номінальну напругу 12 В і споживає струм кілька десятків мілі­ампер, тому не можна безпосередньо керувати реле з виходу ком­п'ютера, отже потрібний додатковий проміжний підсилювач, на­приклад, транзисторний, який встановлюється між виходом комп'ютера і обмоткою реле.

Промисловістю випускаються різноманітні реле в широкому діапазоні потужностей від мініатюрних поляризованих реле потуж­ністю кілька міліват (такі реле часто встановлюють на платах розширення комп'ютерів) до кіловатних контакторів, які встанов­люються в окремих стійках, і призначені для керування двигуна­ми значної потужності.

Напівпровідникові вимикачі. Для керування деякими при­строями, наприклад, для керування виконавчими двигунами на основі широтно-імпульсної модуляції, необхідно забезпечити пе­ремикання струмів в електричних колах з швидкодією у кілька мікросекунд. Електромагнітні реле неспроможні забезпечити таку швидкодію, тому застосовують напівпровідникові прилади: біпо­лярні і польові транзистори та тиристори.

Транзистор, що працює в ключовому режимі, виконує функ­цію керованого вимикача. Ключовим режимом транзистора на­зивається такий режим, коли транзистор знаходиться в одному з двох станів: стані насичення і стані відсікання. У стані насиченні транзистор відкритий, тобто опір між електродами транзистора незначний, і через нього протікає струм. Стан насичення відпові­дає замкненому вимикачу. У стані відсікання транзистор закри­тий, між електродами транзистора значний опір. Стан відсікання відповідає розімкненому вимикачу.

Для керування пристроями з невеликою потужністю можна застосовувати транзистори загального призначення. Щоб керува­ти пристроями, в яких використовуються напруги більші за 1000 В і струми у кілька кілоампер, призначені напівпровідникові при­лади, виготовлені за спеціальними технологіями.

Крім біполярних і польових транзисторів, для комутації по­тужних електричних кіл застосовуються тиристори. Тиристори можуть знаходитися в одному з двох станів: провідному, коли опір між катодом і анодом становить частки ома, і непровідному, коли опір між електродами становить десятки мегом. Щоб пере­вести тиристор у провідний стан, на керівний електрод слід подати імпульс. Тиристори порівняно з транзисторами мають значно мен­ший опір у замкненому стані, тому кількість теплової енергії, що розсіюється тиристором, значно менша ніж у транзистора. У той же час, за швидкодією транзистори переважають тиристори.

На відміну від електромагнітних реле, у напівпровідникових приладах немає гальванічного розмежування між вхідними і ви­хідними електричними колами, і це великий недолік напівпровід­никових перемикачів. У польових транзисторів вхідний опір набагато більший ніж у біполярних, і це забезпечує значно мен­ший ступінь впливу вихідних кіл на вхідні. Для забезпечення гальванічного розмежування вхідних і вихідних кіл застосовують передачу сигналу через оптичний канал: керівний сигнал з ком­п'ютера подають на світлодіод, де він перетворюється у світловий імпульс, що діє на фототранзистор або фототиристор, і переводить його у провідний стан. Сукупність керованого джерела випромі­нювання (світлодіода) і приймача випромінювання (фототранзистора чи фототиристора), з'єднаного оптичним каналом і розміще­ного в одному корпусі, називається оптроном.

Тяговий електромагніт. Тяговий електромагніт складається з обмотки, магнітопроводу і рухомого штока, який є частиною магнітопроводу. Якщо по обмотці пропустити електричний струм, то на шток діятиме сила, спрямована так, щоб зазор зменшував­ся. Тяговий електромагніт — це виконавчий пристрій для пере­творення електричного сигналу в механічне переміщення штока.

Клапани. У багатьох технологічних процесах, наприклад у хі­мічній промисловості, потрібно керувати подачею рідин і газів. Для цього на трубопроводах подачі встановлені клапани, які да­ють таким чином: якщо встановити клапан у закрите положення, то подача рідини або газу припиняється, а якщо у відкрите — то відновлюється. Для переміщення клапана застосовуються елект­ричний, гідравлічний або пневматичний приводи.

Електропривод. Електропривод — це сукупність виконавчого електричного двигуна і електронної системи керування цим двигуном. Електропривод призначений для приведення в рух робочих органів вер­статів, маніпуляторів роботів і робототехнічних комплексів. В елект­роприводі електрична енергія перетворюється у механічну енергію.

Таким чином, з одного боку виконавчий двигун електропри­воду є об'єктом керування з боку електронної системи, а з іншого боку — електропривід у цілому є виконавчим пристроєм у систе­мі автоматичного керування більш високого ступеня ієрархії, на­приклад, верстата з числовим програмним керуванням.

Як виконавчі двигуни в електроприводах використовуються двигуни постійного і змінного струму.

Двигуни постійного струму. Для електроприводу використо­вуються найчастіше двигуни постійного струму з незалежним збу­дженням.

Змінювати швидкість обертання двигуна можна такими способами:

□ змінюючи напругу живлення (якірне керування);

□ змінюючи магнітний потік (полюсне керування):

□ змінюючи опір у колі якоря двигуна.

Якірне керування має такі позитивні якості: висока лінійність і однозначність механічних і регулювальних характеристик; знач­на крутизна механічних характеристик; незначні втрати в обмотці якоря; незначна індуктивність кола керування (якоря), відповідно велика швидкодія; значний діапазон регулювання швидкості.

Недоліком керування швидкості обертання за допомогою змі­ни напруги є необхідність мати кероване джерело постійної на­пруги. Найпоширенішим способом створення такого джерела живлення є застосування широтно-імпульсної модуляції. Суть її полягає в тому, що для живлення двигуна використову­ється не постійна напруга, а імпульсна.

Як виконавчі двигуни електроприводів малої потужності широко використовуються асинхронні двофазні двигуни з порож­нистим і короткозамкнутим ротором. Для таких двигунів засто­совують амплітудний, фазний і амплітудно-фазний спосіб керу­вання частотою обертання ротора.

Синхронні двигуни змінного струму. Амплітуда і частота імпуль­сів стала, а тривалість імпульсів можна змінювати. Середнє зна­чення такої імпульсної напруги прямо пропорційне тривалості імпульсів. Внаслідок значної інерційності ротора, двигун реагує тільки на середнє значення напруги. Таким чином, змінюючи три­валість імпульсів, можна змінювати середнє значення напруги живлення, а, отже, керувати швидкістю обертання двигуна по­стійного струму. Для формування імпульсної напруги живлення зі змінною тривалістю імпульсів використовуються прилади си­лової електроніки: потужні транзистори і тиристори.

Основним недоліком двигунів постійного струму є наявність у них механічного комутатора секцій обмотки якоря, так званого колекторно-щіткового механізму. По-перше, для виготовлення колектора використовуються дорогі матеріали і виготовляється колектор за складною технологією. По-друге, під час роботи між колектором і щітками виникає іскріння, що створює завади у роботі електронних схем і унеможливлює застосування двигунів постій­ного струму у вибухонебезпечних виробництвах, наприклад, у хі­мічній і нафтогазовій промисловостях.

Асинхронні двигуни змінного струму. Перевагою асинхрон­них двигунів, порівняно з двигунами постійного струму, є проста технологія виготовлення, простота обслуговування, висока надій­ність, відсутність електричного зв'язку між статором і ротором, відсутність колекторно-щіткового механізму, отже і відсутність іскріння.

Для електроприводу можуть використовуватися двофазні і трифазні асинхронні двигуни.

Для приводів середньої і великої потужностей застосовується здебільшого частотне керування швидкістю обертання. Енергоза­безпечення здійснюється трифазними системами з незмінною час­тотою, тому для здійснення частотного керування асинхронних двигунів необхідно живити двигун від спеціального трифазного джерела змінної напруги, амплітудою і частотою якого можна керувати. Такі спеціальні керовані джерела живлення стало мож­ливим створювати із розробкою і масовим випуском силових на­півпровідникових приладів: транзисторів і тиристорів великої потужності.

Керування такими потужними струмами. На відміну від асинх­ронних, у синхронних двигунах частота обертання ротора не за­лежить від навантаження, а визначається тільки частотою коли­вань напруги джерела живлення, тому синхронні двигуни доцільно застосовувати у приводах, які мають забезпечувати високу ста­більність частоти обертання у широкому діапазоні зміни наванта­ження.

Кроковий електродвигун. У кроковому електродвигуні ротор може знаходитися в одному з можливих стійких положень. Стій­кі положення розміщено рівномірно по колу. Кількість стійких положень ротора визначається конструкцією крокового електро­двигуна. Щоб перемістити ротор з одного стійкого положення у су­сіднє, в обмотку слід подати імпульс струму. Таким чином, обер­тання ротора можна розглядати як послідовний перехід рядом стійких положень. До позитивних властивостей крокових елект­родвигунів належить висока точність позиціонування, узгодже­ність з імпульсними і цифровими пристроями керування. Водно­час у крокових електродвигунів менший порівняно з двигунами неперервного типу рушійний момент, обмежена швидкість обер­тання, високий рівень вібрацій через стрибкоподібний рух.

Гідро- і пневмопривід. У гідро- і пневмоприводах енергія стисненого газу (здебільшого повітря) або рідини перетворюється в механічну енер­гію. Позитивними властивостями гідро- і пневмо приводів є великі зусилля, які вони розвивають, і здатність забезпечи­ти прямолінійний рух. За будовою гідро- і пневмоприводи поділяються на мембранні і поршневі. Якщо у камеру під мембраною (рис. 1) подати робочу речовину під тиском, то робочий шток, долаючи опір пружини і самої мембра­ни, переміщуватиметься у крайнє положення. аналогічним чином діє і поршневий привід. Якщо робочою речовиною заповнюють камери з обох боків від поршня, то поршень рухатиметься в той чи протилеж­ний бік, залежно від співвідношення тисків у камерах.

На практиці знайшли застосування двокаскадні поршневі приводи: один поршень (керівний) керує перерозподілом робочої речовини у камерах другого (робочого) поршня. Перерозподіл ро­бочої речовини в першому поршні (керівному) здійснюється за допомогою електромагнітного перетворювача.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ:

1. Які пристрої призначені для здійснення впливу системи автоматичного керування?
2. Для чого призначені виконавчі пристрої чи механізми?
3. Що мають здійснювати виконавчі механізми?
4. Які дві частини виділяють у виконавчих пристроях?
5. Якими параметрами характеризують виконавчі механізми?
6. На які види поділяються виконавчі механізми?
7. Як поділяються двопозиційні виконавчі механізми за родом фізичної величини?
8. Що являють собою електричні двопозиційні виконавчі пристрої?
9. Що таке електропривід?
10. Які двигуни використвуються в електроприводах?
11. Розкажіть про гідро- і пневмоприводи.