Вспомогательные системы электротехнологических установок

 
 
 
 
Д. А. Давыдов, А. В. Чигурова 
 
 
 
 
 
 
 
ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.78 
ББК 31.23 
Д13 
 
 
 
 
Рецензент: 
кандидат технических наук, начальник сектора отдела 112  
НПЦ «Электронные системы» АО «НПП «Алмаз» И. О. Чигуров 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Давыдов, Д. А. 
Д13   
Вспомогательные системы электротехнологических установок : учебное пособие / Д. А. Давыдов, А. В. Чигурова. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 128 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1999-4 
 
Пособие включает в себя теоретические сведения по вспомогательным системам 
электротехнологических установок. Указана литература, приведена классификация и 
описание ЭТУС.  
Для студентов всех форм обучения по направлениям: 13.03.02 «Электроэнергетика 
и электротехника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». 
 
УДК 621.78 
ББК 31.23 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1999-4 
© Давыдов Д. А., Чигурова А. В., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 

ВВЕДЕНИЕ 
Электротехнологические установки (ЭТУ) – установки, преобразующие 
электрическую энергию в другие виды (тепловую, лучевую, химическую и т. д.), 
с целью воздействия на объект (материал) для придания ему новых свойств. 
ЭТУ – это широкий класс промышленного оборудования, различающегося 
как по физическим принципам действия, так и по конструкции, которое условно 
можно разделить на пять основных типов (рис. 1). 
 
 
 
Рисунок 1 – Классификация ЭТУ 
 
В большинстве случаев ЭТУ представляют собой сложный комплекс, 
включающий в свой состав преобразующее устройство (нагревательные элементы, индуктор, магнетрон и т. д.), источник питания и ряд вспомогательных 
устройств, связанных с рядом величин, определяемых характерными особенностями ЭТУ (рис. 2). Поэтому отличительной особенностью ЭТУ является необходимость согласования различных по природе физических параметров с целью 
обеспечения требуемых параметров технологического процесса. 
 
Загрузка 
Выгрузка 
ЭТУ 
ТРАНСПОРТНАЯ 
СИСТЕМА 
ИНФОРМАЦИОННАЯ 
СИСТЕМА 
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ 
И УПРАВЛЕНИЯ 
 
 
Рисунок 2 – Структура вспомогательных устройств в составе ЭТУ 
 
3 

1. ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА 
Под транспортной системой понимают совокупность устройств, обеспечивающих механическое перемещение обрабатываемого объекта в пространстве 
ЭТУ (загрузка – выгрузка) или перемещение отдельных элементов ЭТУ (открытие – закрытие дверцы печи, наклон и т. д.). 
1.1. Исполнительные приводы 
Источником механической энергии является привод, представляющий собой двигатель, который через механическую передачу обеспечивает движение 
требуемого объекта [1]. 
В качестве исполнительного привода в ЭТУ наибольшее распространение 
получили электроприводы и гидроприводы. 
Обобщённая структура электропривода представлена на рис. 1.1. 
 
 
 
Рисунок 1.1 – Обобщённая структура электропривода 
 
Источник питания – устройство, преобразующее электроэнергию промышленной сети в форму, необходимую для работы электродвигателя. Сюда относятся: выпрямители, трансформаторы, инверторы. В случае повышенных требований к стабильности работы электродвигателя – стабилизаторы. При повышенных требованиях к электромагнитной совместимости – фильтры и компенсирующие устройства. 
Электродвигатель – устройство, преобразующее электрическую энергию в 
механическую. 
Механическая передача преобразует механическую энергию электродвигателя в форму, необходимую для движения объекта с заданным параметрами.  
4 

То есть обеспечивает требуемый вид движения (вращательный или поступательный) и требуемую скорость движения. 
Система управления обеспечивает изменение параметров работы электропривода в зависимости от требований технологического процесса (изменение 
направления движения, изменение скорости). 
Под рабочим органом понимается элемент электропривода, непосредственно обеспечивающий выполнение технологической операции. Например, 
лопасти вентилятора, ведущий вал конвейера и т. д. 
В зависимости от характера технологического процесса электропривод может быть организован следующим образом. 
1. Однодвигательный привод. В случае если один электродвигатель приводит в действие один рабочий орган. Структурная схема однодвигательного привода соответствует рис. 1.1. Пример однодвигательного привода механизма 
подъёма дверцы печи сопротивления представлен на рис. 1.2. 
 
 
 
Рисунок 1.2 – Механизм подъёма дверцы печи сопротивления: 
1 – печь; 2 – дверца; 3 – электропривод 
 
2. Многодвигательный привод. В случае если для обеспечения необходимого движения рабочего органа используется совокупность двигателей (рис. 1.3). 
Таким образом организован привод электроэрозионных станков и т. д. 
 
 
 
5 

 
 
 
Рисунок 1.3 – Многодвигательный привод: 
а – структурная схема; б – кинематическая схема; в – привод механизма подачи 
электродной проволоки электроэрозионного станка; 
1, 2 – двигатели электропривода 
 
3. Групповой (трансмиссионный) привод. В случае если один электропривод, через механическую передачу (трансмиссию) приводит в движение несколько идентичных рабочих органов (рис. 1.4). (В силу сложности используемой в данном случае механической передачи, на сегодняшний день, подобный 
способ организации привода в промышленности фактически не применяется). 
Классификация электродвигателей привода, представленная на рис. 1.5, 
основана на механических характеристиках. Каждый из типов электродвигателей имеет собственную уникальную характеристику. 
6 

 
 
Рисунок 1.4 – Структурная схема группового электропривода 
 
 
 
ДПТ с независимым 
возбуждением (параллельным 
возбуждением, с возбуждением 
от постоянных магнитов) 
ДПТ с последовательным 
возбуждением 
Двигатели 
постоянного тока 
(ДПТ) 
ДПТ со смешанным 
возбуждением 
Электродвигатели 
Асинхронный 
двигатель (АД) 
Двигатели 
переменного тока 
Синхронный 
двигатель (СД) 
Шаговый двигатель 
(ШД) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 1.5 – Классификация электродвигателей 
 
Под механической характеристикой понимается зависимость скорости 
вращения вала от нагрузки, т. е. создаваемого ею момента Ȧ = f(M). 
Механическая характеристика обусловлена непосредственно конструкцией двигателя и может иметь принципиальное значение при выборе двигателя 
привода. Примеры механических характеристик различных электродвигателей 
7 

представлены на рис. 1.6, где Мкз – момент короткого замыкания, возникает  
в случае равенства момента, создаваемого нагрузкой, с моментом, развиваемым 
двигателем; Ȧ хх – скорость холостого хода, т. е. скорость при отсутствии нагрузки. 
 
w 
w 
w 
w̵̵ 
w̵̵ 
M 
M 
M 
0 
0 
M̡̚ 
0 
M̡̚ 
M̡̚ 
в) 
а) 
б) 
w 
w 
w 
t̹ 
w̵̵ 
w̵̵
w
w̡̬ 
M 
M 
M 
0 
M̡̚ 
M̡̬ 
t̶ 
0 
ʺ̡̬ 
0 
г) 
д) 
е) 
 
 
Рисунок 1.6 – Примеры механических характеристик: 
а – ДПТ с независимым (параллельным) возбуждением; 
б – ДПТ с последовательным возбуждением; 
в – ДПТ со смешанным возбуждением; г – асинхронный двигатель; 
в – синхронный двигатель; е – шаговый двигатель 
 
На основании приведенных характеристик можно сделать предварительный анализ электродвигателей в составе электропривода. Так, ДПТ с независимым возбуждением имеет прямолинейную характеристику, что обеспечивает 
высокую точность управления и делает его перспективным для использования  
в технологических процессах, требующих высокой точности регулирования скорости, как пример – сварочные роботы-манипуляторы (рис. 1.7). 
Характеристика ДПТ с последовательным возбуждением обуславливает 
резкое увеличение скорости при уменьшении момента, вплоть до разрушения 
двигателя. Отсюда, данный тип двигателя в составе ЭТУ фактически не используется. 
ДПТ со смешанным возбуждением данного недостатка не имеет, но отличается сложностью конструкции и фактически также не применяется в производстве. 
 
 
 
8 

 
 
Рисунок 1.7 – Сварочный робот-манипулятор: 
1 – электрод; 2–4 – электродвигатели 
 
Асинхронный двигатель – наиболее дешёвый и компактный двигатель на сегодняшний день. При этом для большинства производственных задач, участок 
механической характеристики до wкр может считаться прямолинейным. 
Синхронный двигатель по сравнению с асинхронным отличается худшими 
массогабаритными показателями и сложностью конструкции, но в некоторых случаях абсолютно жёсткая характеристика может иметь принципиальное значение. 
Общим недостатком электропривода на основе ДПТ, АД и СД является высокая скорость вращения вала двигателя, что приводит к необходимости использования дополнительных механических узлов. 
Основным преимуществом шагового двигателя является обеспечение высокого момента при низких скоростях без использования дополнительных механических передач и точность позиционирования в пределах шага (многокоординатные электроэрозионные станки (рис. 1.3, в)). Однако дискретный характер 
движения в некоторых случаях исключает использование привода на его основе. 
В отдельный тип двигателей выделяют так называемые «линейные двигатели». В отличие от традиционных двигателей, где подвижная часть (ротор, 
якорь) совершает вращательное движение, в ЛД она движется линейно или возвратно-поступательно. Преимущества таких двигателей – отсутствие дополнительных механических частей для преобразования движения. Свои линейные 
аналоги имеют все типы двигателей [2]. 
Так, в линейном двигателе постоянного тока (ЛДПТ), на подвижную часть 
(«бегунок») подаётся постоянное напряжение, а на статоре, с помощью коллектора, относительно его полюсов, создаётся однополярное магнитное поле 
(рис. 1.8). 
9 

 
 
Рисунок 1.8. – Конструкция линейного двигателя постоянного тока 
 
В двигателях переменного тока, вращающиеся магнитное поле заменяется 
«бегущим» (рис. 1.9). 
 
 
 
Рисунок 1.9 – Аналогия между традиционным и линейным двигателем 
переменного тока: 1 – статор (неподвижная часть); 2 – обмотка статора; 
3 – ротор (подвижная часть); 4 – обмотка ротора 
 
В случае линейного асинхронного двигателя, подвижная часть может быть 
выполнена в виде замкнутой металлической полосы, выполняющей роль конвейера (рис. 1.10). 
1 
2 
 
 
Рисунок 1.10 – Пример использования линейных асинхронных двигателей 
для механизмов транспортировки грузов: 1 – несущая металлическая лента; 2 – статоры 
 
Гидроприводом называют совокупность устройств, в число которых входит 
один или несколько гидродвигателей, предназначенная для приведения в дви10