Переключающие устройства и распределители

Переключающие устройства и распределители предназначены для включения, отключения, переключения электрических цепей в элек­троприводе и потоков жидкости или газа в гидро- и пневмоприводе.

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 вращение якорь. При этом в муфте происходят те же процессы, что и в асинхронном электродвигателе. Разница заключается в том, что вращение магнитного поля в двигателе происходит за счет подач переменного трехфазного напряжения в обмотку неподвижном статора, а в муфте вращение поля обеспечивается вращением индуктора, питаемого постоянным током. Как и в асинхронном двигателе, момент передается только при разных скоростях вращения индуктора и якоря. Ведомая часть муфты вращается с частотой

где п₁ — частота вращения ведущей полумуфты; s = 0,03...0,05 - скольжение.

Частота вращения ведомой полумуфты всегда ниже частот* вращения ведущей полумуфты, поэтому такие муфты называют также электромагнитными муфтами скольжения. Следует заметить, что с ростом скольжения падает КПД муфты.

Если момент нагрузки привода превышает максимальный мо­мент муфты, то происходит опрокидывание — прекращение вра­щения ведомой полумуфты, что предотвращает перегрузку при-водного двигателя. Максимальный момент муфты определяется магнитным полем возбуждения и током возбуждения. Меняя ток возбуждения, можно управлять критическим моментом муфты.

Муфты широко применяются в регулируемых электроприводах переменного тока, состоящих из нерегулируемого электродвига­теля и муфты с системой управления током возбуждения. Эти при­воды просты в устройстве и эксплуатации, дешевы и надежны, однако обладают невысокими КПД и мощностью. Электромагнит­ные муфты в целом обладают высокой надежностью, долговечно­стью и быстродействием и используются для передачи мощности до тысяч кВт.

Электромеханические муфты широко используются в электро­механических приборах, лентопротяжных механизмах, станках с ЧПУ, автоматических манипуляторах и т.д.

Логические элементы

Современное оборудование часто требует построения систем управления со сложной логикой, определяющих момент включе­ния, длительность работы, время ускорения и торможения, при­чем эти действия должны быть согласованы между собой по вре­мени. Основой таких схем управления являются логические элемен­ты, построенные на базе переключателей и осуществляющие ло­гическую связь между входными и выходными сигналами.

Сигналы в этих цепях дискретны, принимают одно из двух воз­можных значений: 0 (нет напряжения) или 1 (есть напряжение). Теоретической основой построения таких схем является булева алгебра, или алгебра логики.

Логической переменной называют величину, принимающую одно из двух значений: 0 или 1. Под логической функцией понимают за­висимость выходной логической величины от входных логических величин. Логическая операция — это действие, совершаемое ло­гическим элементом над входными логическими величинами в соответствии с логической функцией. Соответствие значения ло­гической функции значениям логической переменной отражено в так называемых таблицах истинности.

Говорят, что значения 1 и 0 противоположны, или инверсны, что обозначается

Основными операциями алгебры логики являются:

1) логическое отрицание, инверсия, НЕ, например Таблица истинности этой операции имеет вид

2) логическое сложение, ИЛИ: выходная величина принимает значение 1, если хотя бы одна из входных величин Xi равна 1, например, Y= X₁+X₂. Таблица истинности в этом случае выглядит так:

3) логическое умножение, И, когда выходная величина при­нимает значение 1, если все входные величины % равны 1, на­пример Y= Х,-Х₂. Таблица истинности логического умножения выглядит следующим образом:

Логические схемы строят на базе электромагнитных реле и других переключателей, однако в последнее время в основном используют полупроводниковые транзисторные переключател* (в виде цифровых микросхем). Используя простейшие элементы, можно построить логическую машину, способную выполнять слож­ные логические функции. Например, современная ЭВМ, постро­енная на приведенных элементах, способна выполнять сложные расчеты, управлять оборудованием, хранить и обрабатывать ог­ромные объемы информации.

На рис. 4.9 приведены примеры реализации логических элемен­тов на базе реле и полупроводников и их условные обозначения. В качестве источников входных сигналов используются кнопки К_н1 и Кн₂, при нажатии которых в цепях обмоток реле X, и Х₂ пойдет ток, и их замыкающие контакты замкнутся. Значение I выходной логической величины соответствует зажженной лампе HL.

Инверсия обозначается незакрашенным кружком, операция ИЛИ обозначается 1, операция И — знаком &. Элемент НЕ на реле представлен как один замыкающий контакт реле X и один размыкающий контакт реле Y: при наличии входного напряже­ния на реле Х₁, (значение 1) контакт Х₁ замкнется, что вызовет срабатывание реле Y и размыкание контакта Y (значение 0).

При отсутствии входного напряжения (0) контакт Х₁ будет ра­зомкнут, реле Y обесточено и контакт Y замкнут (1). В схеме элемента НЕ на транзисторе при наличии входного напряжения U_вх. (1) транзистор открыт, выходное напряжение будет низким (0). При отсутствии входного напряжения транзистор заперт, напряжение на выходе будет высоким, практически равным напряжению пи­тания Е(1).

Элемент ИЛИ на реле можно представить двумя замыкающи­ми контактами, соединенными параллельно. При замыкании первого Х₁ или второго Х₂ или обоих контактов сработает реле Y замкнется контакт Y.

В схеме элемента ИЛИ на транзисторе при приходе напряже­ния на базу с любого из входов транзистор откроется, и выходное напряжение станет близким к Е(1), иначе транзистор закрыт, выходное напряжение низкое (0).

Элемент И на реле представлен в виде двух замыкающих кон­тактов X₁ и Х₂ соединенных последовательно: только при замы­кании обоих входных контактов в реле Y пойдет ток и замкне выходной контакт Y.

Элемент И на диодах работает следующим образом. Если всех входах имеется высокое напряжение (1), то тока через диоды и падения напряжения на резисторе R не будет, выходное напряжение будет высоким (близким к Е). Если хотя бы на одном входе имеется низкое напряжение (0), через соответствующий диод пой­дет ток и выходное напряжение будет низким.

Аналогично можно построить элемент И на двух транзистор­ных ключах. При построении логических схем оказался удобным элемент ИЛИ-НЕ, имеющий логическую функцию Y = Х₁ + Х₂, или инверсия логического сложения входных сигналов.

На рис. 4.9 приведены реализации элемента ИЛИ-НЕ на реле и транзисторе. Схемы подобны реализациям элемента ИЛИ. Инверсия в первом случае осуществляется использованием раз­мыкающего контакта реле Y. Во втором случае инверсия осуще­ствляется за счет снятия выходного напряжения с транзистора.

При наличии хотя бы на одном входе высокого напряжения (ИЛИ) транзистор отпирается и напряжение на выходе становит­ся низким (НЕ).

На рис. 3.41 приведены реализации триггера — элемента па­мяти, сохраняющего установленное на нем логическое значение. В схеме на реле при кратковременном замыкании контакта Х₁ пой­дет импульс тока через реле Y, что вызовет замыкание контакта Y, делающего ток через реле Y постоянным, т. е. схема хранит зна­чение 1. При размыкании контакта Х₂ ток через катушку реле Y прекращается и контакты размыкаются, т. е. элемент хранит зна­чение 0. При замыкании контакта Х₂ ток через реле Y не возобно­вится, так как контакт реле Y разомкнут. Таким образом, у триг­гера есть два входа. Подача единичного сигнала на один из них устанавливает триггер в 1, на другой — в 0.

Рис. 4.9. Логические элементы и их реализация.

Представлена схема триггера на двух элементах ИЛИ-НЕ. По приходе на вход X₁, первого элемента ИЛИ-НЕ единичного им­пульса на его выходе возникнет сигнал 0, который в свою очередь вызовет сигнал 1 на выходе второго элемента ИЛИ-НЕ. Этот сигнал поступит на второй вход первого элемента ИЛИ-НЕ и установит постоянным выходной сигнал первого элемента ИЛИ-НЕ в 0, а второго — в 1. Приход на вход Х₂ второго элемента ИЛИ-НЕ единичного импульса обнулит его выход. При отсутствии на вто­ром входе X, единичного сигнала на выходе первого элемента ИЛИ-НЕ возникнет единичный импульс, который установит в 0 вы­ходной сигнал второго элемента ИЛИ-НЕ.

Промышленностью выпускаются разнообразные микросхемы, содержащие в единице объема большое количество транзисторов, диодов, резисторов, емкостей и других электронных приборов, имеющие небольшие размеры и воспроизводящие разнообразные логические функции. Микросхемы дешевле схем на реле или тран­зисторах, имеют меньшие габариты и большую надежность.