Исполнительные устройства

Исполнительное устройство - функциональный элемент, осуществляющий воздействие на объект управления по управляющим сигналам промышленных контроллеров или датчиков. Исполнительными устройствами являются различные реле, тяговые электромагниты, приводы (электрический, гидравлический, пневматический) и механизмы. В частотно-регулируемых электроприводах исполнительными устройствами являются частотные преобразователи.

Реле - электрическое или электронное устройство (ключ), предназначенное для замыкания или размыкания электрической цепи при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных воздействий. Существуют следующие виды реле.

1. По начальному состоянию контактов выделяются реле с нормально замкнутыми, нормально разомкнутыми и переключающимися контактами.

  • 2. По типу управляющего сигнала реле бывают:
    • - постоянного тока, к которым относятся: нейтральные (полярность управляющего сигнала не имеет значения, регистрируется только факт его присутствия/отсутствия); поляризованные (чувствительны к полярности управляющего сигнала, переключаются при ее смене); комбинированные (реагируют как на наличие/отсутствие управляющего сигнала, так и на его полярность) реле;
    • - переменного тока.
  • 3. По типу исполнения:
    • - электромеханические, к которым относятся: электромагнитные (обмотка электромагнита неподвижна относительно сердечника); магнитоэлектрические реле (обмотка электромагнита с контактами подвижна относительно сердечника); электродинамические; индукционные; герконовые; тепловые (биметаллические); газовые реле;
    • - статические, к которым относятся: ферромагнитные, ионные, полупроводниковые реле.
  • 4. По контролируемой величине реле бывают: напряжения; тока; мощности; температуры; пневматического давления; контроля изоляции.
  • 5. Реле также классифицируются по допустимой нагрузке на контакты и времени срабатывания.

Некоторые виды реле могут выполнять функции датчиков. Электромагнитные и полупроводниковые реле являются элементами электрических и электронных АУУ.

Основные части электромагнитного реле: электромагнит, якорь и контакты. Электромагнит представляет собой электрический провод, намотанный на катушку с ярмом из ферромагнитного магнитомягкого материала. Якорь - пластина из магнитного материала, через толкатели воздействующая на контакты.

Работа электромагнитных реле основана на использовании электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам его катушки. Детали реле монтируются на основании и закрываются крышкой. Над сердечником электромагнита установлен подвижный якорь (пластина) с одним или несколькими контактами. Напротив них находятся соответствующие парные неподвижные контакты.

В исходном положении якорь удерживается пружиной. При подаче управляющего сигнала электромагнит притягивает якорь, преодолевая усилие пружины, и замыкает, размыкает или переключает контакты в зависимости от конструкции реле. После отключения управляющего напряжения пружина возвращает якорь в исходное положение. В некоторые модели, могут быть встроены электронные элементы. Это резистор, подключенный к обмотке катушки для более четкого срабатывания реле, или конденсатор (параллельно контактам) для снижения искрения и помех или полупроводниковый диод, служащий для блокировки перенапряжений на обмотке реле при его обесточивании вследствие электромагнитной индукции.

Управляемая цепь электрически никак не связана с управляющей то есть гальванически изолированы друг от друга (в электротехнике используется термин «сухой контакт»). Более того, в управляемой цепи величина тока может быть намного больше, чем в управляющей. Источником управляющего сигнала могут быть: слаботочные электрические схемы, различные датчики и другие приборы которые выдают малые величины тока или напряжения. Таким образом, реле, по сути, выполняют роль дискретного усилителя тока, напряжения и мощности в электрической цепи. Это свойство реле, кстати, имело широкое применение в самых первых дискретных (цифровых) вычислительных машинах. Впоследствии реле в цифровой вычислительной технике были вытеснены сначала лампами, потом транзисторами и микросхемами - работающими в ключевом (переключательном) режиме.

В настоящее время электромагнитные реле используют в основном для управления большими токами. В цепях с небольшими токами для управления чаще всего применяются транзисторы или тиристоры.

При работе со сверхбольшими токами (десятки-сотни ампер; например, при очистке металла методом электролиза) для исключения возможности пробоя контакты управляемой цепи исполняются с большой контактной площадью и погружаются в масло (так называемая «масляная ячейка»).

Электромагнитные реле очень широко применяются в бытовой технике, в особенности для автоматического включения и выключения электродвигателей (пускозащитные реле), а также в электрических схемах автомобилей. Например, пускозащитное реле обязательно имеется в бытовом холодильнике, а также в стиральных машинах. В этих устройствах реле намного надежнее электронных устройств, так как оно устойчиво к броску тока при запуске электродвигателя, и особенно, к сильному броску напряжения при его отключении.

Среди полупроводниковых реле распространены транзисторные ключи. Транзисторный ключ - один или несколько транзисторов, работающих в ключевом режиме. Изменение электропроводности транзистора, обусловливающее переключение тока в нагрузке, обеспечивается подачей на его базу управляющего напряжения (сигнала) определенной полярности и уровня. Нагрузка, подключенная к транзисторному ключу, оказывается зашунтированной большим или малым сопротивлением транзистора. В ключевом режиме могут работать как обычные (биполярные и полевые) транзисторы, так и транзисторы, специально разработанные для работы в ключевом режиме (IGBT-транзисторы).

Транзисторные ключи основаны на биполярных транзисторах. Также возможно использование полевых транзисторов. Ключи на полевых транзисторах потребляют меньший ток управления, однако быстродействие их ниже по сравнению с биполярными.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT -insulated-gate bipolar transistor) - трехэлектродный силовой электронный прибор, используемый, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами. По своей внутренней структуре IGBT-транзистор представляет собой каскадное включение двух транзисторных ключей: входной ключ на полевом транзисторе управляет мощным оконечным ключом на биполярном транзисторе. Управляющий электрод называется затвором, как у полевого транзистора, два других электрода - эмиттером и коллектором, как у биполярного. Такое составное включение полевого и биполярного транзисторов позволяет сочетать в одном устройстве достоинства обоих типов транзисторов. Выпускаются как отдельные IGBT-транзисторы, так и силовые сборки (модули) на их основе, например, для управления цепями трехфазного тока.

Для защиты электрооборудования от перегрузок, наиболее широкое распространение получили тепловые реле с биметаллической пластиной. Для любого электрооборудования можно найти зависимость длительности протекания тока от его величины, при которых обеспечивается надежная и длительная эксплуатация. При номинальном токе допустимая длительность его протекания равна бесконечности. Протекание тока, большего, чем номинальный, приводит к дополнительному повышению температуры и дополнительному старению изоляции, поэтому, чем больше перегрузка, тем кратковременнее она допустима.

Биметаллическая пластина теплового реле состоит из двух пластин, одна из которых имеет больший температурный коэффициент расширения, другая - меньший. В месте прилегания друг к другу пластины жестко скреплены либо за счет проката в горячем состоянии, либо за спайкой. Если закрепить неподвижно такую пластину и нагреть, то произойдет изгиб пластины в сторону материала с меньшим температурным коэффициентом расширения, именно это явление и используется в тепловых реле. Широкое распространение в тепловых реле получили материалы инвар (малое значение температурного коэффициента расширения) и немагнитная или хромоникелевая сталь (большое значение температурного коэффициента расширения).

Нагрев биметаллической пластины может производиться за счет тепла, выделяемого в ней током нагрузки. Очень часто нагрев производится от специального нагревателя, по которому протекает ток нагрузки. Лучшие характеристики получаются при комбинированном нагреве, когда пластина нагревается и за счет тепла, выделяемого током, проходящим через нее, и за счет тепла, выделяемого специальным нагревателем, также обтекаемым током нагрузки. Прогибаясь, биметаллическая пластина своим свободным концом воздействует на контактную систему теплового реле.

Прогиб биметаллической пластины происходит медленно. Если с пластиной непосредственно связать подвижный контакт, то малая скорость его движения, не сможет обеспечить гашение дуги, возникающей при отключении цепи, поэтому пластина действует на контакт через ускоряющее устройство. Наиболее совершенным является «прыгающий» контакт.

Основной характеристикой теплового реле является зависимость времени срабатывания от тока нагрузки (времятоковая характеристика). При проверке времятоковых характеристик тепловых реле следует учитывать, из какого состояния (холодного или перегретого) происходит срабатывание реле. Надо иметь в виду, что нагревательные элементы тепловых реле термически неустойчивы при токах короткого замыкания.

Нагрев биметаллической пластинки теплового реле зависит от температуры окружающей среды, поэтому с ростом температуры окружающей среды ток срабатывания реле уменьшается. При температуре, сильно отличающейся от номинальной, необходимо либо проводить дополнительную (плавную) регулировку теплового реле, либо подбирать нагревательный элемент с учетом реальной температуры окружающей среды. Для того чтобы температура окружающей среды меньше влияла на ток срабатывания теплового реле, необходимо, чтобы температура срабатывания выбиралась возможно больше.

Для правильной работы тепловой защиты тепловое реле желательно располагать в помещении с объектом управления. Нельзя располагать тепловые реле вблизи концентрированных источников тепла: печей, систем отопления и т.д. В настоящее время выпускаются реле с температурной компенсацией.

Газовые реле используются для защиты от повреждений электрических аппаратов, располагающихся в заполненных маслом резервуарах. Некоторые мощные электрические аппараты в процессе эксплуатации выделяют значительное количество тепла, в результате чего их воздушное охлаждение недостаточно эффективно. Для охлаждения электрические аппараты (трансформаторы, автотрансформаторы, реакторы) помещают в резервуары, заполненные трансформаторным маслом, которое естественным или принудительным образом охлаждает эти устройства. Кроме того, масло дополнительно служит для повышения уровня изоляции обмоток трансформаторов.

Тяговые электромагниты предназначены для перемещения рабочих органов. Электромагнит создает магнитное поле с помощью обмотки, по которой протекает электрический ток. Для того чтобы усилить магнитное поле и направить магнитный поток по определенному пути, в большинстве электромагнитов имеется магнитопровод, выполняемый из магнитномягкой стали. Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность - от милливатт до десятков тысяч киловатт.

При всем разнообразии электромагнитов в их конструкциях можно выделить общие основные элементы: катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток); неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитопровода (якорь). В некоторых случаях неподвижная часть магнитопровода состоит из нескольких деталей (основания, корпуса, фланцев и т.д.). Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его элементам приводимого в действие устройства.

Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магиитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются паразитными. Поверхности подвижной или неподвижной частей магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >