Исполнительные механизмы в системах управления

Исполнительный механизм обычно снабжается рядом таких дополнительных устройств, как органа ручного управления, датчик для дистанционного указателя положения, местный указатель положения. В целом все виды механизмов имеют некоторые общие функциональные модули, унифицированные для всех типов исполнительных механизмов.

     При оценке исполнительного механизма весьма существенным является вопрос о мощности электродвигателя, установленного в механизме. Уменьшение необходимой мощности электродвигателя упрощает конструкцию усилителя, двигателя, тормоза и механизма в целом и при обеспечении достаточной кратности пускового момента приводит к значительному улучшению динамических характеристик системы.

     Вместе с тем следует учитывать ещё широкое применение при автоматизации непрерывных технологических процессов регулирующей аппаратуры, использующей контактное управление исполнительными механизмами. В связи с этим важным параметром бесконтактного электрического исполнительного механизма является его универсальность по типу управления, т.е. возможность управления им с помощью контактных пусковых устройств.

Основные параметры, технические  характеристики и условия эксплуатации бесконтактных электрических исполнительных механизмов общепромышленного назначения соответствуют ГОСТ 7192-62.

      2. Элементы бесконтактных исполнительных механизмов

      2.1. Электродвигатели

       В электрических исполнительных механизмах постоянной скорости до сих пор в основном применялись асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором обычно серии АОЛ, что обусловливалось их относительной простотой и высокой надёжностью. Питание двигателей осуществлялось от стандартной сети трёхфазного переменного тока. И только в некоторых типах механизмов в качестве привода использовались конденсаторные двигатели с питанием от однофазной сети, причём ряд механизмов снабжался малоинерционным двигателем типа АДП-362 с ротором в виде тонкостенного алюминиевого стакана.

      Однако в процессе разработки и создания новых высоконадёжных бесконтактных исполнительных механизмов было обнаружено, что стандартные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором обладают рядом таких свойств, которые препятствуют их применению в новых механизмах. К этим нежелательным свойствам можно отнести:

1. Большую инерционность ротора.
2. Большие пусковые токи.
3. Ограниченную допустимую частоту включения.
4. Недостаточный общий ресурс работы.
5. Неприспособленность к работе с нулевой скоростью выходного вала, т.е. в режиме короткого замыкания или стопорном режиме.

       Две первые из перечисленных особенностей не свойственны двигателям типа АДП-362, что и явилось причиной того, что первые бесконтактные механизмы были созданы на базе именно этого двигателя. Но технические характеристики механизмов с двигателем АДП-362 оказались довольно низкими из-за недостаточной его мощности, «мягкости» механической характеристики, вызывающей значительные отклонения скорости перемещения выходного органа при изменении условий работы, а также нестандартного напряжения питания. В связи с этим для исполнительных механизмов постоянной скорости была создана специальная серия однофазных асинхронных конденсаторных малоинерционных двигателей типа ДАУ (двигатель асинхронный с работой на упор).

       При выборе оптимального типа двигателя предпочтение было отдано конденсаторному двигателю с постоянно включенной емкостью и питанием от однофазной сети переменного тока напряжением 220В.  Однофазное питание двигателя не только упростило коммутацию электрических цепей и уменьшило число управляющих элементов, но и исключило необходимость применения защиты электродвигателя при исчезновении напряжения в одной из фаз, что требуется при трёхфазном питании.

      Возможность перераспределения общей потребляемой двигателем мощности между обмотками возбуждения и управления облегчала создание быстродействующих магнитных усилителей при управлении одной обмоткой.

      Исполнительные механизмы приобрели качественно новые свойства при применении в них двигателя, способного работать в режиме короткого замыкания, так как этот режим для двигателя бесконтактного исполнительного механизма является одним из рабочих режимов. В этом случае отсутствует опасность перегрузки двигателя, а с исполнительного механизма снимаются всякие ограничения по числу и продолжительности включений, что особенно важно для импульсной системы регулирования, где в некоторых случаях возможно возникновение такого явления, когда механизм будет находится в режиме частого непрерывного реверса. Кроме того, механизм не выходит из строя при заклинивании регулирующих органов в средних похождениях, в нём отсутствуют конечные выключатели, роль которых выполняют механические упоры, воздействующие на выходной орган, или сами регулирующие органы.

      Для обеспечения хороших динамических свойств исполнительных механизмов в двигателях ДАУ отношение пускового момента к моменту инерции ротора, характеризующее начальное теоретическое ускорение при пуске, принято не менее 6000 с^-2.

Необходимая стабильность скорости перемещения  выходного органа механизма при  изменении внешних условий определяется «жёсткостью» механической характеристики двигателя на рабочем её участке.

      Необходимость уменьшения потребляемой двигателем мощности в режиме короткого замыкания становится почти основным требованием при выборе двигателя. Этому требованию более всего соответствует характеристика с критическим скольжением, равным единице, т.е. когда максимальный момент двигателя в большинстве случаев не опасен для механизмов постоянной скорости, имеющих тормозное устройство; кроме того, самоход может быть исключён также и схемой управления. В двигателях типа ДАУ критическое скольжение принято близким к единице с возможным некоторым сдвигом в сторону номинального режима.

      Пригодность к работе в режиме короткого замыкания и обеспечение необходимой добротности определили и конструкцию двигателей. Двигатели мощностью до 10 Вт имеют короткозамкнутый ротор в виде полого тонкостенного алюминиевого стакана. Двигатели мощностью до 25 Вт имеют закрытый необдуваемый корпус без рёбер, двигатели большей мощности – закрытое обдуваемое исполнение. Для привода вентилятора в этих двигателях имеется второй вспомогательный ротор, выполненный в виде беличьей клетки и помещённый в одну расточку статора соосно с основным ротором. В некоторых типах двигателя вентилятор вообще вступает в работу только при выходе на упор рабочего вала двигателя. На рисунке представлена конструкция двигателя типа ДАУ мощностью 63 Вт.

      2.2. Усилители

       Усилители служат для усиления мощности, поступающей от регулирующего прибора либо другого управляющего устройства, до уровня, достаточного для управления исполнительным механизмом. Электрические исполнительные усилители обычно входят в состав самих исполнительных механизмов, но должны рассматриваться совместно с ними. В системах регулирования обычно применяются электронные, полупроводниковые и магнитные усилители.

В силу недостаточной надёжности и  малого срока службы электронные  усилители в настоящее время  в новых конструкциях заменяются полупроводниковыми и магнитными усилителями. Наиболее широкое применение для  управления электродвигателями в различных  схемах автоматики получили магнитные  усилители, обладающие целым рядом  преимуществ по сравнению с другими  типами усилителей. Сюда можно отнести: высокую надёжность, большой срок службы, механическую прочность, относительно невысокую стоимость и т.д. недостатком  магнитных усилителей является их относительно большая инерционность, особенно при  большом коэффициенте усиления, что  весьма существенно для усилителей, управляющих механизмами постоянной скорости, работающими в релейном режиме. Но в диапазоне мощностей, необходимых для привода исполнительных механизмов в системах автоматического  регулирования, магнитные усилители  могут обеспечивать вполне удовлетворительные динамические характеристики. Для управления электродвигателями исполнительных механизмов используются различные схемы включения  магнитных усилителей.

      Более простым и малогабаритным усилителем является усилитель, состоящий из двух однотактных усилителей. Подобный усилитель может найти применение при больших выходных мощностях наряду с мостовым усилителем. Особенностью однотактного усилителя является то, что он управляется сразу двумя обмотками двигателя, что приводит к увеличению мощности усилителя и вместе с тем ухудшает работу тормоза как за счёт квадратного закона нарастания напряжения управления, так и за счёт необходимости применения электромагнита постоянного ока, что значительно снижает качество работы механизма. Кроме того, управление двигателем осуществляется нестандартным напряжением. Положительным в этой схеме является то, что в отличие от дифференциального усилителя при отсутствии сигнала управления здесь снимается напряжение с обеих обмоток двигателя.

      В основу усилителей серии УМД для бесконтактного управления исполнительными механизмами с электродвигателями типа ДАУ положена дифференциальная схема с выходным трансформатором.

     2.3. Тормозные устройства

      Тормозные устройства в электрических исполнительных механизмах служат для ограничения величины выбега выходного органа при исчезновении управляющего сигнала, обеспечения гарантированной нагрузки на выходном органе, получения устойчивости бесконтактного управляемого механизма против самохода при малой нагрузке или её отсутствии за счёт тока холостого хода управляющего устройства.

      Обычно тормоз отсутствует только в исполнительных механизмах, используемых в качестве электропривода. Все же электрические исполнительные механизмы, применяемые в системах автоматического управления и регулирования, как привило, снабжены электрическим тормозом. Чаще всего применяются электромагнитные фрикционные тормозные устройства, реже – устройства динамического торможения двигателя в сочетании с самотормозящимся редуктором. В некоторых исполнительных механизмах роль тормозного элемента выполняет перемещающийся в осевом направлении ротор двигателя или второй вспомогательный ротор.

Наличие того или иного электрического тормоза влияет на статические и  особенно на динамические характеристики исполнительного механизма, а так  же предъявляет определённые требования к схеме управления этим механизмом. Момент срабатывания тормоза определяется его настройкой и величинами подаваемых напряжений или токов, которые в  значительной мере зависят от условий  появления и снятия нагрузки, её направления, внутренних свойств двигателя и управляющего устройства. Все эти факторы всегда и каждый раз по-новому приводят к изменениям в работе тормоза, особенно в переходных режимах работы механизма, и соответственно в обработке механизмом управляющего сигнала. Наиболее резко это явление выражено в бесконтактных механизмах. Кроме того, тормоз является регулируемым и изнашиваемым элементом, требующим определённого обслуживания.

      Высокая эксплуатационная надежность при большом числе включений, большое быстродействие, необходимость простой и точной настройки, работоспособность при любом расположении в пространстве – таковы основные характерные особенности работы тормоза в исполнительном механизме. Наличие этих особенностей требовало создания специальных конструкций тормозных устройств.

       В исполнительных механизмах бесконтактной серии МЭО использованы тормозные устройства, в которых две части электромагнита размещены на двух рычагах 1 и 2, качающихся вокруг одной оси, укреплённой на корпусе редуктора (рисунок А). Подвижный конец рычага 2 с магнитопроводом 3 опирается на амортизационную пружину 4, поджимающую его к гайке 5, регулировкой которой устанавливается начальный воздушный зазор в электромагните. Подвижный конец рычага 1 с якорем 6 опирается на рабочую пружину 7, поджимающую тормозную колодку 8, укреплённую на этом же рычаге, к тормозному шкиву 9 редуктора. Усилие рабочей пружины 7 регулируется гайкой 10. Удовлетворительные качества описанного тормоза обусловлены простотой и независимостью регулировки тормозного усилия и начального воздушного зазора.

       В исполнительном механизме при относительно медленном возрастании управляющего сигнала происходит уменьшение тормозного момента тормоза при неизменном положении тормозной колодки и вместе с тем нарастает движущий момент двигателя.

      На рисунке Б представлен моментный тормоз, используемый в новых бесконтактных исполнительных механизмах. Тормоз находится в заторможенном состоянии при отсутствии момента на валу двигателя. Диск 1 прижат пружиной 2 к неподвижному тормозному кольцу 3. При увеличении момента, воздействующая на тормозную муфту, до определённой величины тормозной диск 1 начинает вращаться, осуществляя притормаживание, которое уменьшается с ростом передаваемого момента, необходимого для преодоления внешней нагрузки. Это происходит потому, что крутящий момент от полумуфты 4, жёстко соединённой с валом 5, воспринимающим момент от двигателя, передаётся к диску 1 через косые кулачки, между которыми для уменьшения трения помещены шарики. Диск 1 по мере роста момента сжимает пружину и передается вдоль вала 5 постоянно передавая результирующий момент к зубчатому колесу 6 через шлицевую либо кулачковую муфту. Работа тормоза попутно приводит к получению большей стабильности статических характеристик исполнительного механизма, электродвигатель которого догружается тормозным моментом при малой величине внешней нагрузки. В зависимости от величины внешней нагрузки при определённой величине передаваемого момента произойдёт полное растормаживание исполнительного механизма, а при уменьшении передаваемого момента тормозная муфта начнёт снова притормаживать до полной остановки механизма.