Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов

Министерство науки и высшего образования Российской федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ  
ЭЛЕКТРОПРИВОД  
ТИПОВЫХ  
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ  
МЕХАНИЗМОВ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
 в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

 

УДК 62-83(075.8) 
         А 224 

Коллектив авторов: 

В.Н. Аносов, В.А. Гуревич, 
В.М. Кавешников, Д.А. Котин 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
канд. техн. наук, доц. М.Е. Вильбергер 
 
Работа подготовлена на кафедре электропривода  
и автоматизации промышленных установок для магистрантов  
I и II курсов факультета мехатроники и автоматизации 
 
 
А 224   
Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов : учебное пособие / В.Н. Аносов, 
В.А. Гуревич, В.М. Кавешников, Д.А. Котин. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2018. – 90 с. 

ISBN 978-5-7782-3758-2 

Приведены описания и функциональные схемы исследовательских 
стендов. Составлены программы практических занятий и даны указания по порядку выполнения пунктов программ. Изложены теоретические сведения, необходимые для расчета характеристик производственных механизмов и электроприводов, предусмотренных в расчетной части программ занятий. Предназначено для студентов I и 
II курсов магистерской программы направлений 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и 27.04.04 «Управление в технических 
системах». 
 
УДК 62-83(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3758-2  
 
 
 
 
 
 Аносов В.Н., Гуревич В.А.,  
    Кавешников В.М., Котин Д.А., 2018 
 Новосибирский государственный 
    технический университет, 2018 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Дисциплина «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов» является одной из основных для студентов 
направления «Электроэнергетика и электротехника», обучающихся по 
магистерской программе «Мехатронные и автоматизированные комплексы и системы», так как регулируемый электропривод находит все 
более широкое распространение в типовых производственных механизмах, используемых в любых областях человеческой деятельности. 
К типовым машинам и механизмам относятся такие устройства, которые выполняют аналогичные операции в различных технологических 
процессах (грузоподъемные механизмы, механизмы горизонтального 
перемещения, насосные установки и т. п.). 
В настоящее время наблюдается интеграция электрического двигателя, рабочего органа машины и системы управления в единый механизм, образующий так называемый мехатронный узел. Сложные технологические комплексы могут объединять в себе несколько мехатронных узлов и создавать мехатронную систему. Появление современных мехатронных систем тесно связано с использованием автоматизированного электропривода, развитие которого зависит от достижений в области преобразовательной техники, микроэлектроники и 
автоматического управления. 
Для успешного монтажа, наладки и эксплуатации автоматизированных электромеханических систем специалист-электроприводчик 
должен изучить такие дисциплины, как теория электропривода, преобразовательная техника, электронные и микропроцессорные устройства, 
теория автоматического управления, автоматическое управление систем мехатроники и др. 
Для закрепления теоретического материала, полученного при изучении дисциплины «Автоматизированный электропривод типовых 
производственных механизмов», на кафедре ЭАПУ созданы испытательные стенды, на которых студенты получают практические навыки 
работы с системами управления различных типовых механизмов. 

До недавнего времени в большинстве производственных механизмов использовались регулируемые электроприводы постоянного тока 
или нерегулируемые электроприводы переменного тока с асинхронными короткозамкнутыми электродвигателями. 
Поэтому в испытательных стендах первого поколения учебнонаучной лаборатории автоматизации производственных механизмов 
исследовались статические и динамические характеристики электроприводов постоянного тока. В создание первой лаборатории автоматизированного электропривода типовых производственных механизмов 
большой вклад внесли доценты кафедры ЭАПУ Б.П. Абоянцев и  
Н.Н. Путинцев. Нагрузочные каскады этих стендов были выполнены 
по системе Г-Д. Для приближения нагрузки к реальной доцентом  
Н.Н. Путинцевым при управлении нагрузочными каскадами применялись аналоговые вычислительные машины. 
В настоящее время во многих отраслях промышленности в связи с 
интенсивным развитием силовой полупроводниковой техники, микроэлектроники и микропроцессорной техники происходит переход к частотно-регулируемому электроприводу переменного тока с асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором. 
В учебно-научной лаборатории автоматизации производственных 
механизмов создано новое поколение исследовательских стендов на 
базе частотно-регулируемых электроприводов переменного тока. Особенностью этих стендов является возможность регулирования технологических параметров реальных объектов управления: грузоподъемного механизма, насосной установки и механизма горизонтального 
перемещения. 
Целью экспериментальных исследований на стендах является знакомство с принципами построения, функциональными возможностями 
современных элементов автоматизированного электропривода типовых производственных механизмов, преобразователями частоты, их 
характеристиками и особенностями. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

1. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ СТЕНД 
«ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ И ОСОБЕННОСТЕЙ 
 РАБОТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ  
В НАСОСНЫХ УСТАНОВКАХ» 

1.1. Особенности работы  
электроприводов насосных установок 

Эффективность насосной установки в рабочем диапазоне в основном определяется способом регулирования и характеристиками системы. При этом требуется, чтобы в рабочей точке достигался максимальный КПД установки. Если изменяется, например, расход или давление, 
тогда необходимо скорректировать механическую характеристику 
насоса или характеристики системы в целом. 
До настоящего времени в качестве основного применялся способ регулирования давления и расхода воды в напорном трубопроводе, получивший название дросселирование. Этот способ заключается в ограничении поперечного сечения выпускного тракта насоса с помощью дроссельной задвижки. К сожалению, такой способ регулирования существенно влияет на КПД насоса. 
Дроссельная задвижка оказывает сопротивление движущемуся потоку жидкости, и тем самым часть энергии рассеивается на задвижке. 
На рис. 1.1 показана механическая характеристика насоса и изменение характеристик системы. 
При дросселировании скорость вращения рабочего колеса насоса 
остается практически неизменной, при этом асинхронный электродвигатель работает непосредственно от сети, его частота вращения на 
5…7 % отличается от синхронной. Потребление электроэнергии двигателем пропорционально производительности насоса. 
Дроссельная задвижка может устанавливаться на входе насоса и  
ограничивать приток жидкости, при этом насос не может обеспечить 

требуемого расхода, так как часть энергии тратится на преодоление 
сопротивления задвижки. 

 
Рис. 1.1. Механическая характеристика насоса 

На рис. 1.2 показано изменение механической характеристики 
насоса при разных положениях задвижки. 

 
Рис. 1.2. Изменение механической характеристики насоса 

При работе насоса в условиях, ограничивающих приток жидкости, 
проявляются такие нелинейные эффекты, как, например, кавитация. При 
этом уменьшается эффективная площадь поверхности лопаток колеса 
насоса, участвующих в создании давления. По этой причине этот метод 
обычно не применяют для перекачивания жидкостей. С энергетической 
точки зрения этот метод несколько эффективнее предыдущего, но он 
также оказывает существенное влияние на КПД насоса. Потребление 
электроэнергии пропорционально квадрату производительности насоса. 
Работа насоса на задвижку имеет ряд недостатков: прежде всего 
увеличивается износ самой насосной установки и установленной на 
ней запорно-регулирующей арматуры, проявляется эффект резонанса, 
перегрев насоса из-за недостаточного теплообмена и т. д. 
Все изложенное выше относится к регулированию одного насоса, 
однако на практике очень часто встречается совместная работа нескольких насосов на один напорный трубопровод. При увеличении 
разбора жидкости для поддержания заданного давления подключается 
необходимое число насосных агрегатов. 
Указанный метод регулирования позволяет снизить непроизводительное потребление электроэнергии, однако требует сложного регулирования нескольких параллельно работающих насосных агрегатов с 
помощью дроссельной задвижки. Кроме того, частые прямые пуски 
насосных агрегатов от сети увеличивают вероятность возникновения 
гидравлических ударов в системе, при этом пусковые токи двигателей 
насосов, значительно превышающие номинальные значения, негативно 
сказываются на ресурсе оборудования. 
Наиболее эффективный способ регулирования предусматривает изменение скорости вращения рабочего колеса насоса. Благодаря этому 
можно обеспечить требуемый напор во всей области регулирования, не 
ухудшая при этом КПД насоса в сравнении с дросселированием. 
На рис. 1.3 показано, как изменяется механическая характеристика 
насоса в зависимости от частоты вращения электродвигателя. 
Физический принцип действия циркуляционных насосов определяет законы подобия для основных характеристик насоса: производительность насоса Q линейно зависит от скорости вращения колеса, создаваемый при этом напор ΔH зависит от квадрата скорости, и соответственно требуемая при этом механическая мощность P зависит от 
куба скорости. 

Рис. 1.3. Зависимость характеристики насоса от частоты вращения 
электродвигателя 

Таким образом, потребление электроэнергии при частотном регулировании пропорционально кубу производительности насоса. Регулирование скорости вращения рабочего колеса насоса возможно с помощью преобразователей частоты, которые обеспечивают качественное управление асинхронными электродвигателями в широком диапазоне изменения частоты. 
При этом с помощью преобразователя частоты по сигналу от датчика давления, установленного в напорном трубопроводе, можно автоматически изменять частоту вращения рабочего колеса насоса, оперативно реагировать на изменение расхода жидкости и обеспечивать 
поддержание заданного давления с высокой точностью. 

1.2. Описание макета насосной установки 

Стенд представляет собой макет системы холодного водоснабжения c насосами GRUNDFOS CR, общий вид и функциональная схема 
системы водоснабжения представлены на рис. 1.4 и 1.5. 
Система водоснабжения включает два насоса и магистраль (система труб с клапанами, датчиками и емкостями). Основными элементами 
являются преобразователь частоты, устройство плавного пуска, асинхронные двигатели АД1 и АД2, насосы 1 и 2. 

На рис. 1.4 и 1.5 приняты следующие обозначения. 
ПЧ – преобразователь частоты, который управляет одним из асинхронных двигателей АД1-3. С помощью преобразователя можно изменять скорость двигателя, направление вращения, осуществлять торможение и пуск с заданным ускорением. 

 
Рис. 1.4. Общий вид системы водоснабжения 

Рис. 1.5. Функциональная схема системы водоснабжения 

УПП – устройство плавного пуска, управляет вторым асинхронным 
двигателем АД2-4 (см. рис. 1.4). 
3-АД1, 4-АД2 – асинхронные двигатели, предназначенные для изменения скорости вращения лопаток насоса 1 и насоса 2 соответственно. 
18, 19– мембранные баки МБ, предназначены для демпфирования 
бросков давления в магистрали, поскольку система водоснабжения является замкнутой. 
20 – накопительная емкость, являющаяся источником и потребителем воды.