Исполнительные механизмы (сервоприводы)

Усилители

Усилители — это преобразователи, предназначенные для уси­ления слабого сигнала от датчика (порядка 10~⁴... 10~⁵ Вт) до уров­ня, требуемого для его обработки, и усиления маломощного управ­ляющего сигнала до мощности, необходимой для управления ис­полнительным устройством системы (порядка 10³ Вт) за счет внеш­него источника энергии. По виду используемой энергии усилите­ли, как и другие преобразователи, делят на электрические, гид­равлические и пневматические.

В группу электрических усилителей входят электронные, маг­нитные, электромашинные и другие устройства, изменяющие па­раметры электрического сигнала. Усиление происходит за счет ис­пользования энергии стороннего источника питания: гидронасо­са, пневмосети и в конечном счете электросети.

В ряде случаев усилители наряду с функцией усиления мощ­ности выполняют функцию преобразования сигнала в другой вид, более удобный для работы системы управления (например, золотниковый гидрораспределитель с электромагнитным приво­дом).

Усилители выполняются как самостоятельные элементы либо входят в состав измерительных или исполнительных устройств и являются в этом случае их неотъемлемой частью. Как и другие элементы систем управления, усилители характеризуются стати­ческими и динамическими характеристиками, перечисленными ранее.

Основными параметрами усилителей помимо коэффициента усиления (по току, напряжению, мощности) постоянной време­ни (инерционность) и рабочего диапазона частот являются:

• линейность статической характеристики;

• величина зоны нечувствительности;

• энергетические параметры (входная, выходная и потребляе­мая мощность);

• стабильность параметров при изменении условий внешней среды и по времени и их воспроизводимость при серийном про­изводстве;

• долговечность, надежность, вибростойкость и т.д.

Возможный коэффициент усиления по мощности усилителей, применяемых в системах управления, лежит в диапазоне от 10 до 10⁷. Выходная мощность усилителей, применяемых в системах управле­ния, лежит в пределах от долей ватт до десятков киловатт. При мощ­ности до 100 Вт обычно применяют электронные усилители, при большей требуемой мощности — гидро- и пневмоусилители.

Так как слабый сигнал от датчика или сравнивающего органа на пути до исполнительного устройства претерпевает серию пре­образований и усиливается в миллионы раз, усиление происходит в несколько этапов, а сами усилители строят часто многокас­кадными, состоящими в свою очередь из нескольких соединен­ных последовательно усилителей.

Важной характеристикой являются величина запаздывания и инерционность усилителя. Обычно можно считать безинерцион­ными электронные усилители, гидравлические золотники, струн­ные реле. Наибольшим запаздыванием обладают магнитные и гидроусилители.

Усилители представляют обычно инерционным звеном перво­го порядка, характеризуемым передаточным коэффициентом (ко­эффициентом усиления усилителя) и постоянной времени. Дина­мические характеристики усилителей основных классов приведе­ны в табл.4.1.

 

Таблица 4.1.

Вид усилителя	Основное применение усилителя	Коэффициент усиления по мощности	Постоянная времени, с
Полупроводниковые	Усилительный каскад на постоянном токе Усилительный каскад на переменном токе Оконечный усилитель мощности	103...105 104... 106   102...103	10-6... 10-7   10-2...10-2.   10 -2… 10-4
Магнитные	Усилительный каскад на переменном токе	103 …105	10 -1…10-4
Электромашинные	Оконечный усилитель мощности ;	102...104	1…10-2
Гидравлические	Дроссельные Струйные	104...166 103...104	10-1…10-2 10-1... 10-2
Пневматические	Дроссельные Струйные	105...107 103…105	10-2...10-3 10-3...10-4

Электронные усилители

Особенностью электронных усилителей является их способность усиливать маломощные сигналы порядка 10^-6 Вт при напряжениях порядка 10^-3 В, поэтому в системах управления их применяют в основном в маломощных цепях для обработки сигналов от датчиков, для согласования элементов системы управления по уровню или мощности сигналов, для выработки управляющего сигнала. По выходной мощности эти усилители уступают гидро- и пневмоусилителям тех же габаритов, поэтому для управления исполнительными устройствами они применяются не так широко.

По соотношению входного сопротивления усилителя Z_BX и выходного сопротивления источника сигнала Z_с усилители делятся:

на усилители напряжения — Z_ВХ ≥ 100 МОм >> Z_c, ток во входной цепи усилителя І_вх = 0 (источник работает в режиме хо­лостого хода), усилитель практически не влияет на процессы в источнике (например, применяется для усиления сигналов с де­лителей напряжения типа неравновесных мостов);

усилители тока — Z_вх<<Z_c, источник сигнала работает в ре­жиме, близком к короткому замыканию, ток во входной цепи усилителя I_{в х} задается источником;

усилители мощности — Р = IU: Z _BX = Z_c, ток и напряжение на входе усилителя определяются как источником сигнала, так и усилителем.

При проектировании цепи управления следует уделить вни­мание согласованию звеньев цепи по их входным и выходным сопротивлениям.

В настоящее время в основном применяются полупроводнико­вые усилители благодаря их малым габаритам, низкой потребляе­мой мощности и высокой надежности. Работа полупроводниково­го усилителя основывается на возможности управления током от эмиттера к коллектору транзистора путем изменения напряжения на базе. На рис. 3.31 приведена схема простейшего усилителя на­пряжения с общим эмиттером. Схема питается от источника, плю­совой контакт которого соединен с землей, а минусовой при по­мощи делителя R_1, R₂ устанавливает режим работы транзистора. Выходная цепь представляет собой делитель, в первом из плеч которого стоят R_э, и транзис­тор, во втором — R_K. Выход­ное напряжение снимается с первого плеча делителя. В зависимости от входного на­пряжения меняется ток I_к че­рез R_э, R_K и выходное напря­жение U_вых как падение на­пряжения на R_э и транзисторе:

При закрытом транзисторе I_к= 0, падение напряжения на R_K равно нулю и U_вых=E_п. При открытом транзисторе

 

Рис. 4.1. Усилительный каскад с об­щим эмиттером

 

На рис. 4.2 представлена схема двухкаскадного усили­теля тока, оба каскада кото­рого соответствуют рис. 4.1.

 

 

Рис. 4.2. Двухкаскадный усилитель

Такой усилитель имеет коэффи­циент усиления 30...200.

Основными характеристиками усилителей являются уровень собственных шумов и пороговая чувствительность — минимальное значение входного сигнала, при котором выходной сигнал мож- но отличить от собственных шумов с заданной вероятностью Р (при Р = 0,98 сигнал на выходе должен превышать шум в 3 раза).

Источником собственных шумов являются электромагнитные наводки, уменьшить которые можно экранированием, а также тепловые шумы и шумы усилительных элементов. Особенно вредны шумы во входной цепи и первом каскаде усиления усилителя, где их уровень соизмерим с уровнем полезного сигнала. Шумы усиливаются следующими каскадами усилителя вместе с полезным сигналом и передаются на выход усилителя.

Современные усилители кроме своей основной функции обычно осуществляют также фильтрацию входного сигнала, оставляя в нем только представляющие интерес для анализа частотные со­ставляющие и удаляя помехи (например, наводки от электросети с частотой 50 Гц).

Различают следующие типы транзисторных усилителей:

усилители переменного тока, которые управляют мощностью переменного тока рабочей частоты (например, 50 Гц), подаваемо­го на электродвигатель синхронный или асинхронный;

усилители с импульсной модуляцией, предназначенные для усиления мощности импульсов, управляющих электромагнитны­ми распределителями в гидро- и пневмоприводах, электромаг­нитными муфтами, шаговыми электродвигателями, электродви­гателями, работающими в импульсном режиме, и т.д. (эти усили­тели также относятся к группе усилителей переменного тока);

усилители постоянного тока, предназначенные для усиления сигналов постоянного тока от датчиков, управления электромаг­нитными реле, согласования элементов системы управления по току и напряжению.

Магнитные усилители

Работа магнитных усилителей основана на особенностях свойств ферромагнитных материалов. Если по обмотке, расположенной на сердечнике, идет ток, то индуцированное им магнитное поле, характеризуемое напряженностью Н, взаимодействует с атомами материала сердечника и вызывает намагничивание сердечника, магнитный поток и магнитную индукцию В. На электромагнит­ные процессы влияет не сама напряженность магнитного поля Н, арезультат его взаимодействия с материалом сердечника — маг­нитная индукции В, которая может быть больше или меньше Н. Другими словами, магнитное поле может усиливаться или ослаб­ляться средой в зависимости от ее свойств.

Отношение приращения индукции В к приращению напряжен­ности магнитного поля Н называется абсолютной магнитной про­ницаемостью материала μо = ΔВ/ΔН и составляет для ферромагне­тиков десятки тысяч. В случае небольшой напряженности поля Н магнитная проницаемость постоянна и В = μоН.

Принято считать, что материал достиг состояния насыщения при напряженности насыщения Н_s и индукции насыщения B_s, когда с ростом Н не происходит роста В, а μа = ΔВ/ΔН = 0, что объясняется исчерпанностью возможности материала реагировать на усиление поля. Кривая зависимости магнитной индукции В от напряженности магнитного поля Н для ферромагнетиков имеет вид характеристики с петлей гистерезиса (см. рис. 3.2, д), где Х и У соответствуют Н и В. При уменьшении Н до нуля и росте в обратном направлении кривая В(Н) пройдет чуть левее за счет остаточных явлений в материале сердечника, при обратном изме­нении Н — аналогично, но правее.

Схема простейшего магнитного усилителя представлена на рис. 3.33, а. Магнитный усилитель состоит из двух дросселей / и II, охваченных обмоткой подмагничивания 2. Обмотки 1 и 3 перемен­ного тока обоих дросселей намотаны на сердечники так, что пе­ременные магнитные потоки внутри обмотки постоянного тока 2 имеют противоположные направления и компенсируют друг друга, не вызывая в обмотке 2 переменной ЭДС. Входной величиной уси­лителя является напряжение Е на обмотке подмагничивания 2, выходной величиной является переменный ток /_н в обмотках 1 и 3 и нагрузке R_H и напряжение

где

— переменный ток;

R₁ R₂ — активные сопротивления обмоток 1 и 2, ω — частота пе­ременного напряжения U;L₁ и L₂ — индуктивности обмоток 1 и 2. При росте тока подмагничивания возрастет постоянное маг­нитное поле, материал сердечника приближается к состоянию насыщения, его магнитная проницаемость μ₀ уменьшается. Ин­дуктивности L₁ и 1₂ и реактивное сопротивление Z₁=L₁ω₁),,

 

 

Рис. 4.3. Магнитный усилитель: 1 — 3 — обмотки

 

Z₂ = L₂ω₂ дросселей 1, 2 вцепи переменного тока определяются как геометрией обмоток 1, 2, так и магнитной проницаемостью сердечников μ₀, которая зависит от тока подмагничивания I_y в обмотке 3. Чем больше I_y (рис. 4.3, б), тем меньше μ_о сердечников, тем меньше индуктивности L₁, и L₂ и реактивные солротивления Z₁, Z₂ дросселей и тем больше ток нагрузки І_н.

На рис. 4.3, в показана характеристика рассмотренного магнитного усилителя. Затрачивая небольшую мощность на ток подмагничивания І _у, можно управлять значительной мощностью и током нагрузки I_н.

Так как коэффициент усиления магнитного усилителя по току: k_і = І_K/І_y определяется реактивным сопротивлением дросселем которое зависит от частоты переменного напряжения U, увеличение частоты с 50 до 500 Гц приводит к увеличению коэффициен­та усиления в 2 — 4 раза. Мощность магнитных усилителей дости­гает сотен киловатт при коэффициенте усиления 50...200 и КПД 0,6...0,98. Магнитные усилители нашли широкое применение в устройствах автоматики благодаря своей простоте и надежности. Главным недостатком усилителей этого типа является их инерци­онность, связанная с большой индуктивностью управляющей об­мотки.

 

Электромашинные усилители

Электромашинные усилители (ЭМУ) применяют для управле­ния мощными устройствами.

Простейший ЭМУ представляет собой генератор постоянного пока, вращаемый с постоянной скоростью (обычно — нерегули­руемым 3-фазным асинхронным двигателем), который служит для усиления по мощности электрического сигнала, подаваемого на обмотку возбуждения.

Двухкаскадный ЭМУ получается, если два ЭМУ соединяются таким образом, чтобы выход первого ЭМУ подавался на обмотку возбуждения второго. Иногда двухкаскадное усиление с помошью ЭМУ получают путем установки на коллекторе генератора посто­янного тока дополнительной пары короткозамкнутых щеток, рас­положенных перпендикулярно паре основных щеток. В этом слу­чае создается дополнительная ЭДС, пропорциональная току че­рез эту пару дополнительных щеток, что обеспечивает большее усиление исходного сигнала. Такой усилитель называют «ЭМУ с поперечным полем».

 

Гидро- и пневмоусилители

Усилители этой группы используют в качестве вспомогатель­ного источника энергию жидкости под давлением или энергию сжатого воздуха.

Усилитель под управлением маломощного входного сигнала регулирует поток жидкости или газа, питающего привод, зада­вая тем самым мощность и величину перемещения рабочего органа.

Гидро- и пневмоусилители по принципу действия можно раз­бить на два класса: дроссельные и струйные.

К дроссельным усилителям относятся, например золотниковые Усилители. Золотниковым усилителем называют прецизионное ме­ханическое устройство, состоящее из специальной гильзы с дрос­селирующими окнами и плунжера, которое предназначено для перераспределения давления и расхода рабочей среды (масла, воздуха), поступающей по напорному трубопроводу. Золотники бы- вают плоские и цилиндрические.

 

 

 

Рис. 4.4. Золотниковые усилители

Рассмотрим схемы усилителей, построенных на базе цилиндрических золотников как наиболее распространенных.

На рис. 4.4 а, приведена схема отсечного золотника для управления двусторонним приводом (подача рабочего тела должна осуществляться то в одну, то в другую полость рабочего цилиндра). Золотник состоит из цилиндра 1 и плунжера 2, перемещаю­щегося в цилиндре под действием управляющего воздействия X, перекрывающего окна 6 и 7 и управляющего подачей жидкости или газа в полости рабочего цилиндра. По трубе 3 подводится ра­бочая среда под давлением. Плунжер представляет собой двойной поршень и выполнен таким образом, что в среднем нейтральном положении он закрывает одновременно оба окна б и 7, отсекая поступление рабочей среды в рабочий цилиндр или из него.

При смещении плунжера вверх под действием входного воздей­ствия X окно 6 соединяется через золотник с напорной трубой 3, окно 7 — сосливной трубой 5, что вызовет перемещение рабочего поршня вниз. Скорость рабочего поршня определяется проходным сечением частично перекрытых окон 6, 7 и положением поршней 2 плунжера. При перемещении плунжера вниз проходное сечение окон и подача жидкости или газа в окно б и из окна 7 будет постепенно уменьшаться до нуля (останов рабочего поршня при нейтральном положении плунжера), после чего уже окно 7 соединится с напор­ной трубой 3, а окно 6— со сливной трубой 4, что вызовет переме­щение рабочего поршня в обратном направлении.

Золотниковые усилители этого типа позволяют получить на выходе мощность до 100 кВт при воздействии на плунжер сиг­налом мощностью несколько ватт (коэффициент усиления по мощности может достигать 10⁵). Усилие перемещения плунже­ра составляет обычно 0,5...20 Н, ход плунжера — 2...10 мм и более.

На рис. 4.4, 6 приведена схема отсечного золотника для уп­равления односторонним приводом, когда рабочий поршень пе­ремещается под действием рабочей среды только в прямом на­правлении (обратное перемещение осуществляется за счет пру­жины). Плунжер имеет один поршень 2, перекрывающий окно 6 золотника, соединенное с одной из полостей рабочего цилинд­ра. В среднем нейтральном положении плунжер закрывает окно 6, блокируя подачу или спуск рабочей среды из рабочего цилинд­ра и обеспечивая его неподвижность. При смещении под дей­ствием входного воздействия плунжера вниз нижняя полость рабочего цилиндра соединяется через золотник с напорной тру­бой 3, что вызовет перемещение рабочего поршня вверх благо­даря разности давлений в полостях цилиндра. При перемещении плунжера вверх вначале будет постепенно остановлено движение рабочего поршня вверх (при нейтральном положении плунжера), после чего полость рабочего цилиндра соединится со сливной трубой. Под действием пружины рабочий поршень пойдет вниз, выталкивая рабочую среду из нижней полости.

Схема и характеристика одностороннего привода с проточ­ным золотником представлены на рис. 4.4 в, г. Плунжер золотни­ка выполнен таким образом, что его цилиндры 2 меняют про­ходные сечения окон напорной 3 и сливной 4 труб, не перекры­вая их целиком (за исключением крайних положений), так что через золотник имеется постоянный поток рабочей среды. В зави­симости от положения плунжера меняется давление в камере зо­лотника между цилиндрами и в нижней полости рабочего цилиндра. Поршень рабочего цилиндра всегда находится в равновесии под действием силы сжатия пружины сверху и давления рабочей среды снизу. Этот усилитель обладает высокой чувствительностью, отсутствием зоны нечувствительности, однако меньшей выходной мощностью.

Характерной особеннос­тью золотниковых усилителем является наличие зазора между поршнями плунжера и гильзой, что обусловливает постоянную утечку рабочей среды. Разница между шириной поршня плунжера и размером окна гильзы золотни­ка называется величиной пе­рекрытия. По типу перекры­тия различают золотники:

с положительным перекрытием, когда ширина поршня боль­ше ширины окна гильзы;

нулевым перекрытием, когда ширина поршня равна ширине окна гильзы;

отрицательным перекрытием, когда цилиндр плунжера шире окна гильзы.

В целях получения более плотной отсечки цилиндры плунже­ра отсечного золотника выполняют шире окон (положительное перекрытие составляет 0,05...0,5 мм). При этом на характеристи­ке возникает зона нечувствительности, что вызывает запаздыва­ние срабатывания усилителя.

В проточном золотнике, наоборот, всегда имеется поток рабо­чей среды через золотник за счет отрицательного перекрытия.

Рис. 4.5. Усилитель типа сопло-заслонка:

1 — дроссель; 2 - сопло дросселя; 3 — заслонка

 

На рис. 4.5 приведены схема усилителя типа сопло-заслонка, состоящего из дросселя 1 с постоянным гидравлическим сопротивлением и из дросселя с переменным гидравлическим сопротивле­нием, меняющимся при смещении заслонки 3 относительно сопла дросселя 2. Рабочая среда подается на дроссель 1 с постоянным давлением Р_о и через дроссель 2 уходит на слив. Чем больше зазор между соплом 2 и заслонкой 3, тем больше расход рабочей среды через дроссели, тем больше падение давления на дросселе 1 и ближе давление в рабочей полости Р_ц к атмосферному.

В зависимости от положения заслонки 3 в полости между дрос­селями устанавливается давление, задающее положение рабочего поршня, находящегося в равновесии под действием силы упругости пружины и силы давления рабочей среды на поршень. Коэффици­ент усиления мощности таких усилителей может достигать k_Р =10⁶

Струйные гидро- и пневмоусилители в качестве усилительного элемента используют струйную трубку (рис. 4.6), состоящую из поворотной трубки и приемника 5 с соплами 3, 4. В трубку подается рабочая среда под давлением. Управляющее воздействие Х поворачивает трубку 1, меняя на­правление струи рабочей сре­ды, расход через сопла 3, 4 и давление в них.

 

Рис. 4.6. Струйный усилитель: а — конструктивная схема струйного уси­лителя; б— его статическая характеристика

Противовес 2 предназначен для удержания трубки в равновесном состоя­нии. При повороте трубки вле­во давление в канале 3 будет расти, в канале 4 — падать.

Струйные трубки работают под давлением масла порядка 4...8 бар при расходе через трубку 5... 10 л/мин. Макси­мальное отклонение трубки составляет обычно 1...2 мм.

Гидро- и пневмоусилители выполняют как однокаскадные (к_Р= 10³... 10⁴), так и двухкаскадные (к_Р= 10⁴... 10³).

Пневмоусилители имеют коэффициент усиления на порядок выше и инерционность на 1—2 порядка меньше, чем гидроуси­лители. Часто первый каскад усилителя выполняют пневматичес­ким, второй — гидравлическим.

 

 

Корректирующие устройства

Корректирующим устройством называется сложная комбина­ция пропорциональных, интегральных, дифференциальных и дру­гих звеньев, корректирующая управляющий сигнал для обеспече­ния требуемых динамических характеристик системы. К этой группе устройств относятся последовательное корректирующее звено-ре­гулятор и вспомогательные обратные связи в системах автомати­ческого регулирования.

В зависимости от природы сигнала применяются электричес­кие, механические, гидравлические, пневматические, комбини­рованные и цифровые корректирующие устройства. В электричес­ких цепях систем управления в качестве корректирующих устройств используются схемы на резисторах, емкостях и индуктивностях, в механических узлах — пружины, гироскопы, рычаги обратных связей, в гидро- и пневмосистемах — дроссели, демпферы, кана­лы обратных связей.

Важными требованиями, предъявляемыми к корректирующим устройствам, являются возможность сложной коррекции ампли­туд гармонических составляющих сигнала в зависимости от ча­стоты и возможность адаптации структуры корректирующего ус­тройства в процессе функционирования. В наибольшей степени этим требованиям удовлетворяют цифровые корректирующие устройства, реализуемые в виде программ микропроцессорных регуляторов.

Фильтрами называют частотно-избирательные устройства, про­пускающие или задерживающие составляющие сигнала в зависи­мости от их частот. Различают аналоговые активные фильтры, выполненные в виде электронных схем на сопротивлениях и конденсаторах (RC-фильтры) и включаемые последовательно в цепь преобразования, и цифровые фильтры, являющиеся программами в цифровых регуляторах, по которым обрабатываются поступившие в регулятор последовательности замеров от датчиков. Существенным достоинством аналоговых фильтров является их простота и низкая стоимость, недостатком — ограниченные возмож­ности и малая гибкость.

Преимуществом цифровых фильтров является возможность применения разнообразных и сложных алгоритмов фильтрации и гибкость, обеспечиваемая возможностью простого переключения регулятора с использования одной программы фильтрации на другую. Для цифровых фильтров характерна некоторая задержка сигнала по времени, необходимая для выполнения расчетов.

Рост быстродействия современных микропроцессоров снизил задержку даже при сложной цифровой фильтрации до нескольких миллисекунд, что в большинстве случаев применения практичес­ки оказывается незаметным.

Различают фильтры:

• низкочастотные (ФНЧ), пропускающие гармоники низкой частоты и подавляющие высокочастотные гармоники;

• высокочастотные (ФВЧ), пропускающие только высокочас­тотные гармоники;

• полосовые (ПФ), пропускающие гармоники только в задан­ном частотном диапазоне;

• режекторные (РФ), подавляющие гармоники в заданном частотном диапазоне (например, сетевую наводку на частоте 50 Гц).

Реальные системы управления часто функционируют в усло­виях мощных электромагнитных излучений, порождаемых электросетью и силовым электромагнитным оборудованием (транс­форматорами, электродвигателями, переключателями и т.д). Мощность электромагнитной помехи, наводимой на соединительные цепи, может быть соизмерима с мощностью электрического сигнала от датчика типа термопары, что отрицательно влияет на качество регулирования. Для борьбы с электромагниными помехами применяют различные методы. За счет фильтрации помеха, например, от сети питания 50 Гц может быть ослаблена в десятки раз.

Простая скрутка пары соединительных проводов снижает на­водки в 10 раз, причем, чем меньше шаг скрутки, тем меньше уровень помех. Одним из основных методов является защитное экранирование: низковольтные цепи заключают в металлический кожух и применяют экранированный провод, состоящий из од­ной или нескольких изолированных медных жил, заключенных в экран, сплетенный из тонких медных проводов. Наиболее эффек­тивны непрерывные экраны.

Иногда целесообразно экранирование источника помехи, на­пример электродвигателя, заключением его в сплошной металли­ческий заземленный экран. Экранирование позволяет снизить уро­вень помех в десятки раз.

Одним из источников помех является неудачная схема зазем­ления источника и приемника сигнала. Уровень помех в зависи­мости от схемы заземления может изменяться в несколько раз.

Следует отметить, что борьба с помехами является во многом искусством и применение рекомендуемых методов часто недоста­точно для снижения помехи до требуемого уровня.

 

 

Электромагнитные реле

Некоторые характеристики электромагнитных и электронных реле приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Электромагнитное реле — типовой элемент автоматики, уп­равляющий подачей значительной мощности источника питания в нагрузку, переключая контакты реле за счет использования не­большой мощности в цепи управления. Реле в общем случае пред­ставляют собой промежуточный элемент, приводящий в действие одну или несколько электрических цепей.

По сравнению с бесконтактными полупроводниковыми пере­ключателями (транзисторами и тиристорами) контактные реле обладают следующими преимуществами:

устойчивостью к изменению температуры;

широким диапазоном коммутируемых токов и напряжений;

устойчивостью к электрическим перегрузкам как на контактах, так и в цепи управления;

радиационной стойкостью;

возможностью коммутации большого числа гальванически раз­вязанных цепей;

небольшими массой, габаритными размерами, стоимостью.

Существуют реле постоянного и переменного тока. В основном применяются реле постоянного тока, подразделяемые на нейт­ральные и поляризованные.

 

Основными параметрами, характеризующими работу реле яв­ляются;

мощность срабатывания Р_сраб - электрическая мощность на входе реле, при которой ПРОИСХОДИТ замыкание (размыкание) контактов (0,001…0,1В)

время срабатывания - время между моментом подачи на реле управляющего импульса и моментом замыкания контактов управляемой цепи (0,001...0,2 с);

мощность управления Р_упр - электрическая мощность управ­ляемой цепи (10... 1000 Вт и более).

Коэффициент усиления по мощности для реле, иногда называ­емый коэффициентом управления, определяется как и составляет 40... 10^s.

Вместо контактных электромагнитных реле все чаще применя­ют полупроводниковые ключи, построенные на базе транзисто­ров и тиристоров. Простейший ключ на транзисторе (рис.4.7, а) представляет собой усилитель с релейной характеристикой. При наличии напряжения на базе транзистор пропускает ток его со­противление в цепи эмиттер-коллектор мало. При отсутствии на­пряжения на базе транзистор закрыт, ток от эмиттера к коллекто­ру и в выходной цепи отсутствует.

Тиристор - это полупроводниковый четырехслойный прибор способный, подобно диоду, пропускать ток только в одну сторо­ну, причем ток пойдет только при наличии на управляющем элек­троде открывающего напряжения. Когда входной сигнал достига­ет заданного уровня (рис.4.7, б), сопротивление ключа мало (ключ открыт); если входной сигнал ниже заданного порогового -сопротивление ключа велико (ключ закрыт). После снятия управляюшего сигнала тиристор будет пропускать ток еще некоторое время, пока не закроется, поэтому тиристоры называют прибора­ми с неполной управляемостью.

 

Рис. 4.7. Ключи на транзисторе (а) и тиристоре (б)

Тиристор имеет релейную характеристику при двух устойчивых состояниях — открытом и закрытом. Для ускорения запирания тиристора применяют специальные схемы.

Переключение полупроводниковых ключей занимает несколько микросекунд, т.е. происходит практически мгновенно. Полупроводниковые ключи имеют малые габаритные размеры, большую механическую прочность, устойчиво работают в диапазоне температур — 60... 150 ⁰С, способны пропускать токи до 300 А.

Подобие некоторых физических свойств жидкостей и газов объяс­няет подобие конструкций гидро- и пневмораспределителей. Так же как и усилители, они подразделяются по типу распределительного элемента на распределители давления и расхода золотникового типа, распределители с соплом и заслонкой, распределители струйного типа, распределители клапанного типа и комбинированные.

 

Электромеханические муфты

Управляемые муфты служат для передачи движения от одного вала к другому по сигналам управления и являются дистанционными управляемыми выключателями механического движения. С помощью муфт осуществляется быстрое подключение или отключение и торможение элементов управляемого объекта от постоянно работающего электродвигателя. Муфты позволяют плавно регулировать частоту вращения ведомого вала и передаваемый на него момент за счет регулируемого проскальзывания ведущем и ведомого элементов муфты, что важно для предотвращения ава­рии в момент резкого возрастания нагрузки на привод (например, в момент включения муфты).

По характеру связи между ведущим и ведомым элементами конструкции различают муфты с механической связью, или фрикционные (в которых степень проскальзывания полумуфт друг относительно друга регулируется силой сжатия контактирующих поверхностей), и муфты, передающие крутящий момент за счет взаимодействия электромагнитных полей полумуфт без их механического контакта. Это гистерезисные, индукционные (синхронные и асинхронные ) и конденсаторные электромагнитные муфты.

Основными критериями работоспособности муфт являются, прочность сцепления, или максимальный передаваемый момент, износостойкость поверхностей трения, теплостойкость.

Для дополнительного увеличения коэффициента трения и передаваемого момента в 3 — 4 раза соприкасающиеся поверхности полумуфт изготавливают из специальных материалов. В сухих фриционных муфтах применяют трение стали или чугуна по наклад­кам из фрикционного материала на асбестовой основе или по металлокерамическим накладкам. Фрикционные тела муфт, рабо­тающих в масле, выполняют из закаленной стали, трущейся по фрикционной пластмассе или металлокерамике.

В электромагнитных муфтах полумуфты образуют замкнутую магнитную систему. Муфта выполнена из ферромагнитных мате­риалов и имеет одну или несколько обмоток возбуждения. Посто­янный ток подается на вращающуюся катушку по контактным кольцам и щеткам.

В маломощных фрикционных муфтах сами подвижные полу­муфты не имеют обмоток (рис. 4.8, а), одна из них (обычно ведо­мая) перемещается под действием магнитного поля неподвиж­ной обмотки возбуждения, сцепляясь со второй полумуфтой. При подаче тока в обмотку 3 возникает магнитное поле, перемещаю­щее вдоль ведомого вала по шлицам или шпонке и прижимающее ведомый элемент муфты 2 к ведущему 1. Для передачи больших моментов применяют многодисковые муфты с подвижной катуш­кой электромагнита (рис.4.8,б), в которых площадь соприкос­новения ведущей и ведомой полумуфт в несколько раз больше. При отключении тока пружина отжимает ведомую полумуфту от ведущей и прижимает ее к тормозной поверхности, чем обеспе­чивается быстрое торможение. Работа такой муфты подобна рабо­те электромагнита.

 

Рис. 4.8. Электромагнитные муфты

 

Наряду с дисковыми применяют конусные и цилиндрические обжимные муфты, позволяющие передавать большие моменты однако они имеют значительные габариты и конструктивно слои нее, что обусловило ограниченность их применения.

Зазор между полумуфтами может быть заполнен ферромагнит­ным порошком 4 (рис. 4.8, в). Под действием магнитного поля при включении муфты зерна порошка располагаются вдоль силовых линий и образуют мостики, связывающие полумуфты. Сопротивле­ние сдвигу намагниченного порошка тем больше, чем сильнее он намагничен, что позволяет легко управлять передаваемым момен­том. Порошок состоит из зерен диаметром от 4 до 50 мкм и может быть сухим (графит, тальк) или жидким, пропитанным силиконо­выми, трансформаторными маслами, фтористыми соединениями

Электромагнитные фрикционные муфты с ферромагнитным наполнителем более надежны и менее инерционны (время сра­батывания составляет менее 20 мс), имеют больший КПД. К не­достаткам следует отнести сложность конструкции, постоянные потери ферромагнитного порошка через уплотнения, необходи­мость периодической смены порошка (в среднем через 400... 500ч работы) ввиду постепенного окисления и разрушения зерен по­рошка.

В асинхронных индукционных муфтах передаваемый момент уп­равляется изменением напряжения на обмотке возбуждения индук­тора. Такие муфты способны передавать мощность от нескольких ватт до тысяч киловатт. Одна из полумуфт (рис.4.8, г) имеет элек­тромагнитные полюсы 1 с обмоткой возбуждения (индуктором), конструктивно выполненной подобно ротору асинхронного двига­теля и питаемой постоянным током. Другая полумуфта имеет короткозамкнутую обмотку 2, аналогичную роторной обмотке асинхрон­ного двигателя. При вращении индуктора в обмотке якоря возника­ет ЭДС и идет ток. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком возбуждения создает электромагнитный момент, приводящий во враще