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
1 

 
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 автоматизированных систем : учебное пособие / С. Ю. Съянов, Н. Ю. Лакалина. – 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 
 
2 

 
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: 
 
 
ܯ= ݇ʣܫ, 
(1) 
 
где k – конструктивный параметр машины. 
В движущихся с угловой скоростью ω в магнитном поле под действием 
момента М проводниках обмотки якоря в соответствии с законом Фарадея 
наводится ЭДС вращения Е: 
4 

 
 
 ܧ =  ݇ʣ߱, 
(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: 
 
 
 ܷെܧ =  ܫܴ. 
(3) 
 
Для решения практических задач они должны быть дополнены уравнением 
движения с моментом потерь ΔM, входящим в Мс, 
 
 
 ܯെܯ௖= ܬ
ௗఠ
ௗ௧.  
(4) 
 
Механическую характеристику ω(М) ДПТНВ получим, выразив Ȧ из совместного решения уравнений (1) – (3): 
 
 
 ߱=
௎
௞ʣ െ
ெோ
ሺ௞ʣሻమ= ߱଴+ ο߱,  
(5) 
 
где ω0 – скорость идеального холостого хода; Δω – перепад скорости под влиянием нагрузки. 
Так как зависимость между током и моментом линейная (1), то электромеханическая характеристика ω(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 = ϕ(I) – характеристика намагничивания – не имеет простого аналитического выражения. Но в первом приближении в установившемся 
режиме ее можно представить линейной: 
 
 
 ʣ =  ߙ ܫ.  
(6) 
 
Тогда 
 
 
 ߱=
௎
௞ఈூെ
ோ
௞ఈ, 
(7) 
 
а поскольку 
 
 
 ܯ =  ݇ʣܫ =  ݇ߙܫଶ,  
(8) 
 
то 
 
 
 ߱=
௎
ξ௞ఈெെ
ோ
௞ఈ. 
(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, 
 
 
 ߱= െ
ோ
௞ఈ.  
(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 

 
Таблица 1 
Технические данные электродвигателей постоянного тока  
независимого возбуждения 
Типоразмер 
электродвигателя 
Напряжение 
Uн, В 
Ток якоря 
Iн, А 
КПД 
Șн, % 
Вариант 
Номинальная 
мощность 
Рн, кВт 
Номинальная  
частота вращения 
nн, 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 
2ПН90LНХЛ4 
0,2 
110 
– 
54 
750 
12 
2ПН90LНХЛ4 
0,2 
220 
– 
54,5 
800 
13 
2ПН90LЬНХЛ4 
0,34 
110 
– 
60 
1060 
14 
2ПН90LНХЛ4 
0,34 
220 
– 
60 
1000 
15 
2ПН90LНХЛ4 
0,55 
110 
– 
67,5 
1500 
16 
2ПН90LНХЛ4 
0,55 
220 
– 
67,5 
1500 
17 
2ПН90LНХЛ4 
0,9 
110 
– 
73 
2000 
18 
2ПН90LНХЛ4 
0,9 
110 
– 
73 
2120 
19 
2ПН90LНХЛ4 
1,3 
110 
– 
76 
3150 
20 
2ПН90LНХЛ4 
1,3 
220 
– 
78 
3150 
21 
4ПО100S2 
0,55 
110 
8,6 
– 
750 
22 
4ПО100S2 
0,55 
220 
3,8 
– 
750 
23 
4ПО100S2 
0,75 
110 
10,4 
– 
1000 
24 
4ПО100S2 
0,75 
220 
4,8 
– 
1000 
25 
4ПО100S2 
1,1 
110 
13,8 
– 
1500 
26 
4ПО100S2 
1,1 
220 
6,1 
– 
1500 
27 
4ПО100S2 
1,5 
110 
19,3 
– 
2200 
28 
4ПО100S2 
1,5 
220 
9,5 
– 
2200 
29 
4ПО100S2 
2,2 
110 
26,2 
– 
3000 
30 
4ПО100S2 
2,2 
220 
13,4 
– 
3000 
 
– к пункту 2 плана занятия. Номинальный ток электродвигателя (если он 
не задан в табл. 1): 
, 
где Șн – КПД, о.е.; Рн – номинальная мощность, Вт. 
ܫː =
ʟː
ߟːܷː
8 

 
Номинальный КПД электродвигателя (если он не задан в табл. 1): 
 
. 
ߟː = ʟː
ܫːܷː
 
– к пункту 3 плана занятия. Сопротивление обмотки якоря: 
 
. 
ܴˢ = 0,5ܷːሺ1 െߟːሻ
ܫː
 
Коэффициент ЭДС: 
 
, 
ʙˈ = ʔː
߱ː
= ܷː െܫːܴˢ
߱ː
 
где ωн = 0,1045nн. 
– к пункту 4 плана занятия. Скорость идеального холостого хода электродвигателя: 
 
. 
߱଴= ܷː
ʙˈ
 
Номинальный момент электродвигателя: 
 
 
  ʛː =
ʟː
ఠː.  
(11) 
 
Координаты точек естественной механической характеристики: 
1) М = 0; Ȧ = Ȧ0; 
2) М = Мн; Ȧ = Ȧн. 
По этим точкам построить график естественной механической характеристики электродвигателя Ȧ = f(M) в виде прямой линии (рис. 3). С учетом масштаба построения размер рисунка не должен быть меньше 150×150 мм. 
– к пункту 5 плана занятия. Определить жесткость механической характеристики: 
 
. 
ߚ= ݀߱
݀ܯൎο߱
οܯ= ߱଴െ߱ː
0 െʛː
= ߱଴െ߱ː
ʛː
 
Определить скорость электродвигателя при Мс = 0,2Мн можно из уравнения механической характеристики, записанного для номинального момента: 
 
 
 ߱ː = ߱଴െ݇ˏʛː.  
(12) 
 
9 

 
 
 
Рис. 3. Вид механических характеристик электродвигателя постоянного тока 
независимого возбуждения 
 
Из уравнения (12) имеем: 
 
. 
݇ˏ = ߱଴െ߱ː
ʛː
 
Тогда 
 
 
 ߱˘ = ߱଴െ݇ˏʛ˘.  
(13) 
 
В рабочем режиме Мс = Мх. По формуле (13) найти скорость Ȧх электродвигателя при Мх = 0,2Мн: 
 
߱˘ = ߱଴െ݇ˏ0,2ʛː. 
 
– 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 
Типоразмер  
электродвигателя 
Номинальный 
ток Iн, А 
Сопротивление 
Rпосл, Ом 
Вариант 
Номинальная 
мощность 
Рн, кВт 
Номинальная 
частота  
вращения 
nн, 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