Управление промышленными мехатронными системами Объем занятий: 18 часов

18 часов

лекций,
54 часов практических занятия,
экзамен.

Храмшин Вадим Рифхатович

7. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МЕХАНИЗМЫ

исполнительных устройств

электрических двигателей
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

устройства электродвигателей:
а – постоянного тока; б – синхронного; в -

асинхронного

постоянного тока
Принцип действия двигателя постоянного тока
Закон Ампера
Электромагнитный момент
ЭДС якоря

на зажимах двигателя
Развиваемый двигателем электромагнитный момент
Динамический момент
В установившемся режиме работы
Уравнение

электромеханической характеристики ДПТ

Уравнение механической характеристики

Основные уравнения двигателя постоянного тока

силовых схем электроприводов, реализованных по системе “тиристорный преобразователь - двигатель”

двигатели переменного тока
1 - статор;
2 - ротор;
3, 4

- обмотки статора и ротора

Устройство асинхронного двигателя и графики тока в статорной обмотке

Магнитное поле простейшей обмотки статора
асинхронного двигателя

вращения поля статора
Уравнения механической и электромеханической характеристик асинхронного двигателя
Сопротивление обмотки

ротора, приведенного к статору

Индуктивное сопротивление короткого замыкания

Скольжение

Основные уравнения асинхронного двигателя

механическая (а) и электромеханическая (б) характеристики асинхронного двигателя

характеристики асинхронного двигателя при изменении частоты питающего напряжения:
а – при

Us = const; б – при Us / f = const; в – при Us / f 2 = const

силовых схем электроприводов, реализованных по системе “преобразователь частоты - асинхронный

двигатель” с автономным инвертором напряжения

двигатели
Устройство и принцип действия синхронного двигателя с явнополюсным (а) и

неявнополюсным (б) якорем

Механические характеристики СД

Скоростью вращения потока статора

Уравнение механической характеристики синхронного двигателя

двигатели
Шаговый электродвигатель – это синхронный бесщеточный электродвигатель с несколькими обмотками,

в котором ток, подаваемый в одну из обмоток статора, вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация обмоток двигателя вызывает дискретные фиксированные угловые перемещения (шаги) ротора без датчиков обратной связи.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Вольт-амперные характеристики диода (а),
тиристора (б) и силового

транзистора (в)

Элементная база преобразователей

переменного тока в постоянный
Однофазный однополупериодный выпрямитель:
а – принципиальная схема;
б

– временные диаграммы напряжений и токов

Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений и токов

мостовой выпрямитель:
а – принципиальная схема; б – временные диаграммы напряжений

и токов

управляемый выпрямитель с нулевой точкой:
а – принципиальная схема; б,

в, г – диаграммы напряжений при различных углах управления α

характеристика тиристорных выпрямителей для трехфазной нулевой (кривая 1) и трехфазной

мостовой (кривая 2) схем выпрямления

переменного тока
Основные типы силовых преобразователей частоты

схема (а) и временные диаграммы
напряжений (б-г) одной фазы преобразователя

частоты
с непосредственной связью

Частота выходного напряжения

Преобразователь частоты с непосредственной связью

частоты со звеном постоянного тока
Структурная схема преобразователя частоты
с промежуточным

звеном постоянного тока

Временные диаграммы фильтра звена постоянного тока ПЧ

преобразователя частоты с инвертором на IGBT транзисторах, включенных в трехфазную

мостовую схему

УСТРОЙСТВА
Классификация основных типов электромагнитных исполнительных механизмов

электромагниты
1 - обмотка возбуждения, выполнена из медного изолированного провода в

виде соленоида; 2 - стальной корпус, служит одновременно внешним магнитопроводом; 3 - возвратная пружина; 4 – магнитопровод типа «воротничок»; 5 – подвижный якорь; 6 -тонкостенная латунная трубка, служит для уменьшения трения и предотвращения залипания якоря.

Применяются в электромеханических устройствах автоматики типа клапанов, золотников, защелок, выключателей, совершая возвратно-поступательные перемещения на расстояние в несколько миллиметров с усилием до нескольких десятков ньютонов.

схваты
Служат для захвата и удержания в определенном положении объектов мехатронных

систем. По способу удержания объекта они разделяются на схватывающие, поддерживающие и удерживающие.

1 - стальной корпус;
2 - катушка электромагнита;
3 - лист из немагнитного металла (латунь)

муфты
обеспечивают соединение ведущей и ведомой частей привода механически не жестко,

а за счет упругих сил электромагнитного поля.

1, 2 - ведущая и ведомая части муфты, служат магнитопроводами; 3 - обмотка возбуждения;
4 - контактные кольца и 5 – щетки; 6 – наполнитель (ферромагнитная смесь)

Статические характеристики электромагнитных муфт скольжения

ПНЕВМОДВИГАТЕЛИ
Классификация гидро- пневмодвигателей по принципу действия

пневмоцилиндры
Гидроцилиндры одностороннего (а, б)
и двухстороннего (в, г) действия

развиваемые штоком гидроцилиндра
Уравнение статической механической характеристики гидро- пневмопривода с

линейным перемещением

где

- расход жидкости или газа

- гидравлическое сопротивление путей потока утечки Qу двигателя

Статические механические характеристики гидро- пневмодвигателей

гидро- пневмоцилиндры
Принцип работы поворотного гидроцилиндра
1 – корпус; 2 - поворотный

ротор (втулка); 3 - несущая пластина (лопасть); 4 - уплотнительная перемычка с пружинящим поджимом; 5 -уплотнительный элемент

Крутящий момент может быть рассчитан по зависимости

Сила F определяется перепадом давления и рабочей площадью пластины

Рабочая площадь пластины может быть определена как

Угловая скорость вращения вала

Для поворотного гидроцилиндра выражение для потока

пневмомоторы
Принцип работы шестеренного гидромотора
При повороте шестерен на один радиан через

машину будет перемещен объем жидкости

Расход жидкости в режиме идеального холостого хода

Полный поток через гидромотор

Поток утечки

Уравнение статической механической характеристики

работы многотактного поршневого гидромотора
Усилие F1, которое преобразуется в крутящий момент,

зависит от усилия на поршне, равном

где Ап – площадь поршня, и угла подъема α профильной поверхности

и пневматичсекие управляющие устройства
1. Гидроаппаратура распределения потоков жидкости:
гидравлические

распределители;
обратные клапаны и гидрозамки.
2. Гидроаппаратура управления величиной потока жидкости:
дроссели;
регуляторы расхода;
делители потока.
3. Гидроаппаратура (гидроклапаны) управления давлением:
предохранительные клапана прямого и непрямого действия;
переливные клапана прямого и непрямого действия;
редукционные и напорные клапана, клапана соотношения давлений;
разгрузочный гидроклапан;
гидроклапаны последовательности;
гидроклапаны выдержки времени.
4. Вспомогательная гидроаппаратура:
средства кондиционирования жидкости;
гидробаки;
теплообменники;
гидроаккумуляторы и др.

Классификация

распределения потоков
Принцип работы
обратного клапана
Предназначены для перераспределения потока жидкости (газа), а

также его пропуска или остановки при достижении параметрами потока (давления, разности давлений и др.) заданных настройкам клапана значений.

В системах управления гидро- пневмоприводами применяют:
гиддрораспределители,
обратные клапаны и гидрозамки,
клапаны выдержки времени.

1 – клапан;
2 - прижимаемая пружина;
3 – уплотняющее седло

управления величиной потока
Принцип работы игольчатого дросселя (а) и двухлинейного регулятора

расхода с компенсатором давления на выходе (б)

Управление величиной потока осуществляется:
гидравлическими дросселями;
регуляторами расхода;
делителями потока.

Гидравлический дроссель – это регулирующий гидроаппарат, предназначенный для создания гидравлического сопротивления потоку жидкости.
В регуляторах расхода в дополнение к настраиваемому (дозирующему) дросселю 1 устанавливается управляющий дроссель (компенсатор давления) 2, действующий одновременно и как элемент сравнения в системе с обратной связью.
Делитель потока – дроссельный гидроаппарат, делящий поток на две части в заданном соотношении. Применяются в том случае, если необходимо обеспечить заданное соотношение скоростей движения выходных звеньев гидродвигателей.

управления давлением (клапаны)
Принцип работы предохранительного клапана
Различают предохранительные, редукционные клапаны, клапаны

последовательности (известные также как переспускные, предварительно-нагружающие или тормозные), а также клапаны разности и соотношения давлений.

Принцип работы редукционного клапана