Электрические, гидравлические и пневматические приводы автоматизированных систем

С. Ю. Съянов, Н. Ю. Лакалина





ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ



Учебное пособие



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.316.71
ББК 31.261.3
     С94


Рецензенты:
к. т. н., доцент каф. АТС ФГБОУ ВО «Брянский государственный технический университет» Матлахов В. П.;
генеральный директор ООО «КОНСТРУКТОР» Сырых А. Д.





     Съянов, С. Ю.
С94       Электрические, гидравлические и пневматические приводы авто-
     матизированных систем : учебное пособие / С. Ю. Съянов, Н. Ю. Лака-лина. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 120 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1304-6

     Даны сведения о двигателях постоянного и переменного тока. Рассмотрены номинальные режимы работы электродвигателей, а также гидравлический и пневматический приводы. Включены практические работы по расчету механических характеристик асинхронного электродвигателя, по проектировочному расчету пневмопривода.
     Для студентов направлений подготовки 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств», 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и 27.03.04 «Управление в технических системах».

                                                          УДК 621.316.71
                                                          ББК 31.261.3












ISBN 978-5-9729-1304-6

     © Съянов С. Ю., Лакалина Н. Ю., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

            ПРЕДИСЛОВИЕ



    Практические работы подготовлены в соответствии с рабочими программами курсов «Электромеханические системы» для направления подготовки 27.03.04 - «Управление в технических системах» и «Приводы автоматизированных систем» для направлений подготовки 15.03.06 - «Мехатроника и робототехника», 15.03.04 - «Автоматизация технологический процессов и производств».
    Рабочими программами предусмотрено проведение практических занятий по основным разделам дисциплин. Практические работы знакомят студентов с темами занятий, планом занятий, индивидуальным заданием и методикой решения задач.
    На первом занятии каждый студент получает свой номер варианта и исходные данные, в соответствии c которыми выполняет первую и все последующие работы.
    Темы практических занятий тесно связаны с тематикой лекций, что облегчает студенту понимание сути изучаемых вопросов.
    Каждое практическое занятие рассчитано на 2 или 4 часа самостоятельной работы студента в учебной аудитории с данным учебным пособием.
    Для успешного выполнения расчетов студенты обязаны заранее ознакомиться с темой предстоящего практического занятия, подготовить ответы на контрольные вопросы, воспользовавшись приведенной литературой, кратким теоретическим материалом, приведенным в пособии, и конспектом лекций.
    В начале каждого занятия студенты опрашиваются по контрольным вопросам (или показывают выполненные в письменном виде ответы на контрольные вопросы).
    В конце занятия студент показывает преподавателю результаты расчетов и ответы на контрольные вопросы. Как правило, следующее занятие студент выполняет только после получения положительной оценки по предыдущему занятию.

3

            ГЛАВА 1


            ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА



     В электроприводе используются двигатели постоянно тока независимого (ДПТНВ), последовательного (ДПТПВ) и смешанного возбуждения (ДПТСВ), а так же двигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые по своим характеристикам близки к ДПТНВ. Электроприводы с ДПТНВ являлись до недавнего времени основным видом регулируемого электропривода.
     Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения и его механическая характеристика представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения: а - схема включения; б - механическая (электромеханическая) характеристика

    Якорная цепь питается от независимого источника с напряжением U. В простейшем случае сопротивление цепи якоря R постоянно, магнитный поток Ф определяется лишь током возбуждения и не зависит от нагрузки (реакция якоря не проявляется), индуктивные параметры цепей пока не учитываются, поскольку рассматриваются лишь установившиеся (статические) режимы.
    Взаимодействие тока I в обмотке якоря с магнитным потоком Ф, создаваемым обмотками, расположенными на полюсах машины, приводит в соответствии с законом Ампера к возникновению электромагнитных сил, действующих на активные проводники обмотки и, следовательно, электромагнитного момента М:


        М = кФ1,


(1)

где k - конструктивный параметр машины.
    В движущихся с угловой скоростью (О в магнитном поле под действием момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея наводится ЭДС вращения Е:


4

        Е = к.Фш,


(2)

направленная в рассматриваемом случае встречно по отношению к вызвавшей движение причине - ЭДС источника питания U..
    В соответствие со вторым законом Кирхгоффа для якорной цепи машины справедливо уравнение:


        U-Е = IR.


(3)

    Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением движения с моментом потерь ЛМ., входящим в Мс,


М


        -Мс - /—. с J dt


(4)

    Механическую характеристику ш(М) ДПТНВ получим, выразив ю из совместного решения уравнений (1) - (3):

U MR

    ш - ГФ зтф~ ⁻ ш° +     '                     ⁽⁵⁾


где Шо - скорость идеального холостого хода; Лш - перепад скорости под влиянием нагрузки.
    Так как зависимость между током и моментом линейная (1), то электромеханическая характеристика ш(I) имеет аналогичный вид и отличается только шкалой оси х.
    В электроприводах постоянного тока иногда используются двигатели с последовательным возбуждением, когда специально выполненная обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря (рис. 2).


Рис. 2. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения: а - схема включения; б - механические характеристики

5

     Для двигателя последовательного возбуждения, как и для других двигателей постоянного тока при питании якоря от источника напряжения (U = const), справедливо уравнение (5), однако, если для двигателя независимого возбуждения поток не зависит от тока нагрузки, то для двигателя последовательного возбуждения поток является функцией тока нагрузки.
     Зависимость Ф = ф(I) - характеристика намагничивания - не имеет простого аналитического выражения. Но в первом приближении в установившемся режиме ее можно представить линейной:


    Ф = а I.


    Тогда


_ и _ R ка!     ка'

а поскольку

        М = кФ1 = ка1²,

то

    ш = -^-А.

ЧкаМ ка


(6)

(7)



(8)



(9)

     Таким образом, при сделанном допущении механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения изображается гиперболой (рис. 2); одной из ее асимптот является ось ординат, а другой - прямая, параллельная оси абсцисс,


ш =

R ка'


(10)

6

Практическая работа № 1.1

Построение графика механической характеристики двигателей постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения

    Цель занятия:
    Научиться определять скорость идеального холостого хода и другие параметры электродвигателей постоянного тока и строить графики их естественных и искусственных характеристик.
    Задачи:
    1.     На предприятии для регулируемого привода питателя вращательного принципа действия решено использовать электродвигатель постоянного тока независимого возбуждения. Определить параметры механической характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения и построить ее график.
    2.     На предприятии для привода транспортного робота решено использовать электродвигатель постоянного тока последовательного возбуждения. Определить параметры естественной механической характеристики электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения и построить ее график.
    План занятия:
    1.     Выписать из таблицы 1 технические характеристики электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения по своему варианту.
    2.     Определить номинальный ток и номинальный КПД электродвигателя.
    3.     Вычислить сопротивление обмотки якоря и коэффициент ЭДС.
    4.     Определить параметры естественной механической характеристики электродвигателя и построить ее график.
    5.     Определить жесткость механической характеристики при моменте 0,2 Мн и угловую скорость при этом моменте.
    6.     Выписать из таблицы 2 технические характеристики электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
    7.     Определить параметры естественной механической характеристики электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения и построить ее график.
    8.     Найти угловую скорость вращения электродвигателя при Мс = 0,2 Мн и жесткость механической характеристики в ее крайних точках.
    Методические указания:
    -      к пункту 1 плана занятия. Технические данные электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения выписать из таблицы 1.

7

Технические данные электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения

Таблица 1

Вариант                                                           Номинальная   
           Типоразмер    Номинальная Напряжение Ток якоря  КПД  частота вращения
        электродвигателя  мощность     Ин, В      1н, А   Дн, %        -1       
                           Рн, кВт                                 Пн, мин 1    
1       2ПН90МУХЛ4          0,17        110        ---    47,5        750       
2       2ПН90МУХЛ4          0,17        220        ---    48,5        750       
3       2ПН90МУХЛ4          0,25        110        ---     56         1060      
4       2ПН90МУХЛ4          0,25        220        ---     57         1120      
5       2ПН90МУХЛ4          0,37        110        ---    61,5        1500      
6       2ПН90МУХЛ4          0,37        220        ---    61,5        1500      
7       2ПН90МУХЛ4          0,71        110        ---    69,5        2360      
8       2ПН90МУХЛ4          0,71        220        ---     70         2360      
9       2ПН90МУХЛ4           1,0        110        ---    71,5        3000      
10      2ПН90МУХЛ4           1,0        220        ---    72,5        3000      
11      2ПН90ЕНХЛ4           0,2        110        ---     54         750       
12      2ПН90ЕНХЛ4           0,2        220        ---    54,5        800       
13      2ПН90ЕЬНХЛ4         0,34        110        ---     60         1060      
14      2ПН90ЕНХЛ4          0,34        220        ---     60         1000      
15      2ПН90ЕНХЛ4          0,55        110        ---    67,5        1500      
16      2ПН90ЕНХЛ4          0,55        220        ---    67,5        1500      
17      2ПН90ЕНХЛ4           0,9        110        ---     73         2000      
18      2ПН90ЕНХЛ4           0,9        110        ---     73         2120      
19      2ПН90ЕНХЛ4           1,3        110        ---     76         3150      
20      2ПН90ЕНХЛ4           1,3        220        ---     78         3150      
21      4П010082            0,55        110        8,6     ---        750       
22      4П010082            0,55        220        3,8     ---        750       
23      4П010082            0,75        110       10,4     ---        1000      
24      4П010082            0,75        220        4,8     ---        1000      
25      4П010082             1,1        110       13,8     ---        1500      
26      4П010082             1,1        220        6,1     ---        1500      
27      4E0I00S2             1,5        110       19,3     ---        2200      
28      4E0I00S2             1,5        220        9,5     ---        2200      
29      4E0I00S2             2,2        110       26,2     ---        3000      
30      4E0I00S2             2,2        220       13,4     ---        3000      

     -      к пункту 2 плана занятия. Номинальный ток электродвигателя (если он не задан в табл. 1):

4 =

Рн





где Дн - КПД, о.е.; Рн - номинальная мощность, Вт.


8

     Номинальный КПД электродвигателя (если он не задан в табл. 1):

Чн


    Рн


    -     к пункту 3 плана занятия. Сопротивление обмотки якоря:

«я


    0,5^н(1


Чн⁾

4

—

    Коэффициент ЭДС:


    к 4     Ц,— ДА
    е "н "н ,


где Юн = 0,1045пн.
     -       к пункту 4 плана занятия. Скорость идеального холостого хода электродвигателя:

"о


    Ц к,


■е

н

     Номинальный момент электродвигателя:


    Мн =


Рн "н

(11)

    Координаты точек естественной механической характеристики:
    1)  М = 0; го = гоо;
    2)  М = Мн; го = гон.
    По этим точкам построить график естественной механической характеристики электродвигателя го = f(M) в виде прямой линии (рис. 3). С учетом масштаба построения размер рисунка не должен быть меньше 150x150 мм.
    - к пункту 5 плана занятия. Определить жесткость механической характеристики:

        d" &"      "о — "н "о — "н

    Р = 1м~7м = о — мн =        МН ■

    Определить скорость электродвигателя при Мс = 0,2Мн можно из уравнения механической характеристики, записанного для номинального момента:

    "н = "о⁻ ^мМн.                         ⁽¹²⁾


9

Рис. 3. Вид механических характеристик электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения

Из уравнения (12) имеем:

Шо — Шн


    Мн


Тогда

км

Шх Ш0 ^М.


(13)

     В рабочем режиме Мс = Мх. По формуле (13) найти скорость ®х электродвигателя при Мх = 0,2Мн:


    шх — Шо — км0,2Мн.


     - к пункту 6 плана занятия. Технические данные электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения выписать из таблицы 2.


Таблица 2

Технические данные электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Вариант                  Номинальная             Номинальная              
           Типоразмер     мощность   Номинальный   частота   Сопротивление
        электродвигателя   Рн, кВт    ток 1н, А   вращения     Кпосл, Ом  
                                                  Пн, мин-1               
1            ДП-12           3,0         19          960         0,59     
2            ДП-21           4,5         28          900         0,275    
3            ДП-22           6,0         36          850         0,30     
4            ДП-31           8,5         50          770         0,118    

10