/
Автор: Александровская А.Н. Гванцеладзе И.А.
Теги: электротехника энергетика электроника электрооборудование ремонт механическое оборудование электромеханика
ISBN: 978-5-4468-1587-6
Год: 2016
Текст
А. Н. Александровская, И.А. Гванцеладзе
ОРГАНИЗАЦИЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
И РЕМОНТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Учебник
Профессиональный модуль
6'2 W
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А. Н. АЛЕКСАНДРОВСКАЯ, И.А.ГВАНЦЕЛАДЗЕ
ОРГАНИЗАЦИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО
ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
УЧЕБНИК
Рекомендовано
Федеральным государственным автономным учреждением
^Федеральный институт развития образования))
в качестве учебника для использования в учебном процессе
образовательных учреждений, реализующих программы
среднего профессионального образования по специальности
{(Техническая эксплуатация и обслуживание электрического
и электромеханического оборудования [по отраслям)»
Регистрационный номер рецензии 556
от 24 декабря 2015 г, ФГАУ «ФИРО»
АСАЙЕм’а I HU/.rJ [ " ...-t
Москва Л
Издательский центр «Академия»’‘ '*
2016
УДК 621.313/316(075.32)
ББК 31.16я723
А462
Рецензент —
преподаватель специальных дисциплин высшей квалификационной
категории ГБОУ СПО Строительный колледж № 26,
Почетный работник СПО О.П.Лавренцова
Александровская А.Н. 9&&31
А462 Организация технического обслуживания и ремонта
электрического и электромеханического оборудова-
ния : учеб, для студ. учреждений сред. проф. образования /
А. Н. Александровская, И. А. Гванцеладзе. — М. : Издатель-
ский центр «Академия», 2016. — 336 с.
ISBN 978-5-4468-1587-6
Учебник создан в соответствии с Федеральным государственным обра-
зовательным стандартом среднего профессионального образования по спе-
циальности «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и
электромеханического оборудования (по отраслям)», ПМ.01 «Организация
технического обслуживания и ремонта электрического и электромеханиче-
ского оборудования».
В учебнике рассмотрены основы светотехники, автоматизированный
электропривод, конструкция, технические характеристики, принцип дей-
ствия и схемы управления электрических и электромеханических устано-
вок. Представлен процесс монтажа, эксплуатации и ремонта электрообору-
дования. Описано техническое регулирование электрическою и электро-
механического оборудования. Изложены принципы обеспечения качества
продукции на основе технического регулирования, погрешности измере-
ний, а также средства и способы измерений.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования.
F. '......... .....— УДК621.313/316(075.32)
| [ ББК31.16я723
1^^..Оришн.ал-_мдкет даннб'г^Ц&дания является собственностью
Издательского центра «Академия его воспроизведение
любым способом без согласия правообладателя запрещается
© Александровская А. Н., Гванцеладзе И. А., 2016
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2016
ISBN 978-5-4468-1587-6 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2016
621. 3 /2
Уважаемый читатель!
Данный учебник является частью учебно-методического ком-
плекта по специальности «Техническая эксплуатация и обслужива-
ние электрического и электромеханического оборудования (по от-
раслям)».
Учебник предназначен для изучения профессионального модуля
«Организация технического обслуживания и ремонта электриче-
ского и электромеханического оборудования».
Учебно-методические комплекты нового поколения включают
традиционные и инновационные учебные материалы, позволяющие
обеспечить изучение общеобразовательных и общепрофессиональ-
пых дисциплин и профессиональных модулей. Каждый комплект
содержит в себе учебники и учебные пособия, средства обучения и
контроля, необходимые для освоения общих и профессиональных
Vs компетенций, в том числе и с учетом требований работодателя.
Учебные издания дополняются электронными образовательны-
ми ресурсами. Электронные ресурсы содержат теоретические и
практические модули с интерактивными упражнениями и тренаже-
рами, содержат мультимедийные объекты, ссылки на дополнитель-
ные материалы и ресурсы в Интернете. В них включен терминоло-
гический словарь и электронный журнал, в котором фиксируются
основные параметры учебного процесса: время работы, результат
выполнения контрольных и практических заданий. Электронные
ресурсы легко встраиваются в учебный процесс и могут быть адап-
тированы к различным учебным программам.
? ... . •— ' i
Введение
Любой специалист в любой отрасли народного хозяйства должен
обладать основными сведениями об орудиях труда. Такими сведе-
ниями являются: номенклатура, назначение, основные конструк-
тивные элементы, принцип действия машин, оборудования и ком-
плектующих изделий, правила хранения и транспортирования, обе-
спечивающие их качество. Нужно знать основные тенденции тех-
нического прогресса, новейшие виды оборудования, без которых
невозможно существенное повышение производительности труда.
Квалификация, компетентность кадров, их высокая граждан-
ская ответственность во многом определяют масштабы и темпы
научно-технического прогресса. Повышение уровня механизации
и автоматизации способствует ускорению научно-технического
прогресса и решению крупных производственных и социальных
проблем. Основными направлениями экономического и социаль-
ного развития на настоящий период предусмотрены: освоение в ко-
роткие сроки серийного производства новых конструкций машин,
оборудования, средств автоматизации и приборов, позволяющих
использовать в широких масштабах высокопроизводительные,
энерго- и материалосберегающие технологии; производство не-
обходимой техники, соответствующей специфическим условиям
эксплуатации в различных отраслях экономики и районах страны.
Намечены также разработка и выпуск новых поколений высоко-
эффективной техники, организация массового производства пер-
сональных компьютеров, увеличение в 2 — 2,3 раза объема про-
изводства вычислительной техники и повышение ее надежности,
Предусмотрены обеспечение опережающего выпуска станков
с числовым программным управлением, увеличение производства
автоматизированных и роботизированных комплексов и линий,
гибких производственных систем металлообработки. Дальнейший
экономический прогресс общества, комплексный подход к борьбе
за качество требуют значительного повышения производительно-
сти труда, получения основного прироста промышленного произ-
водства за счет интенсификации процессов.
Одно из решающих условий выполнения поставленных задач —
развитие производства и применение новых прогрессивных видов
4
оборудования и приборов, повышение единичной мощности (и как
следствие — производительности) и сроков эксплуатации отдель-
ных машин, механизмов, аппаратов, технологических линий, вне-
дрение промышленных роботов и манипуляторов.
Среди средств интенсификации производственных процессов
важную роль играют машины и приборы. В настоящее время нет
такой отрасли экономики, в которой не используют машины и при-
боры. Конструкции конкретных машин и приборов с развитием
техники совершенствуются и меняются.
Машиной называется устройство, выполняющее механические
движения для преобразования энергии, материалов и информации.
При помощи машин различные формы движения материи (меха-
ническое движение, электричество, тепловая энергия) используют
для облегчения физического и умственного труда человека, уве-
личения его производительности, расширения производственных
возможностей, сохранения здоровья. Применение машин создает
качественно новые возможности производства в отношении про-
изводительности и видов выпускаемой продукции, коренным обра-
зом меняет роль человека в процессе производства.
Прибором называется устройство для регистрации параметров
физических, механических, химических и других процессов, осу-
ществления технических измерений, но не для совершения ра-
боты.
В основе классификации оборудования, электрооборудования
и приборов лежит их функциональное предназначение. Машины-
двигатели преобразуют один вид энергии в другой (электродвига-
тели, гидравлические двигатели, двигатели внутреннего сгорания).
Транспортные машины осуществляют перемещение людей
и грузов.
Технологические, или рабочие, машины изменяют состояние,
свойства или форму материала (металло- и деревообрабатываю-
щие станки, прессы, молоты и др.).
Вычислительные машины — комплекс технических средств,
предназначенный для автоматизации процессов вычислений по за-
ранее составленной программе (обработки информации) и обеспе-
чивающий решение одной или нескольких задач управления про-
изводственными (технологическими) процессами и процессами
планирования.
Контрольно-управляющие машины осуществляют контроль
и автоматическую корректировку технологических процессов.
К приборам относятся устройства для измерений, контроля,
управления машинами и оборудованием, регулирования техноло-
5
гических процессов, вычислений, учета, счета, защиты оборудова-
ния, осуществления учебного процесса.
Роботы-машины с антропоморфным (человекоподобным) пове-
дением частично или полностью выполняют функции человека.
Машины и приборы, как правило, стандартизованы. Под стан-
дартом понимается документ, определяющий комплекс норм, пра-
вил и требований, предъявляемых к готовым изделиям. Стандарты
разрабатывают на продукцию, эталоны (времени, массы), образцы,
нормативы показателей свойств, правила маркировки, упаковки,
транспортирования, хранения, методы определения качества.
Стандарты разрабатывают на основе передовых достижений
технического прогресса; утверждает их Госстандарт.
КОНСТРУКЦИЯ,
ТЕХНИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ,
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК И СХЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ИМИ
РАЗДЕЛ
Глава 1. Электрооборудование установок и объектов различных типов
Глава 2. Основы светотехники
Глава 3. Автоматизированный электропривод
Глава 4. Автоматика
Глава 5. Электрооборудование и электрические схемы обрабатывающих установок
Глава 6. Электрооборудование общепромышленных машин и установок
Глава 7. Электрооборудование компрессоров, вентиляторов и насосов
Глава 8. Электрооборудование подъемно- и поточно- транспортных систем
Глава 1
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
УСТАНОВОК И ОБЪЕКТОВ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
1.1.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
УСТАНОВКАХ И ОБОРУДОВАНИИ,
ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Электротехнологическими называются установки, в которых
электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии с од-
новременным выполнением технологического процесса. Развитию
электротехнологии способствуют развивающаяся энергетика, соз-
дание новых источников энергоснабжения, сооружение мощных
линий электропередачи и др. Совершенствование ее влечет за со-
бой создание материалов, обладающих новыми свойствами: вы-
сокой прочностью, термостойкостью, устойчивостью к действию
агрессивных сред и т. п.
Созданы принципиально новые устройства, разработаны каче-
ственно новые принципы конструирования и изготовления элек-
тронных микросхем.
Электротехнологические установки имеют результирующее
действие на обрабатываемый материал от электрического тока,
электрических и магнитных полей. Это действие при технологиче-
ском процессе зависит от состояния вещества изделия. Вещество
может находиться в четырех агрегатных состояниях: твердом, жид-
ком, газообразном и плазменном.
Твердое состояние имеют проводники, полупроводники и ди-
электрики, металлы и неметаллы, кристаллические и аморфные
вещества. Жидкое состояние у расплавленных металлов, солей,
щелочей, оксидов, минеральных и органичных диэлектриков, жид-
8
6
Рис. 1.1. Классификация электротехнологических установок
ких кристаллов (особая разновидность). Газообразное состояние
имеют сложные активные вещества, создающие в обычных услови-
ях соединения, — целевой продукт. Плазменное состояние имеют
вещества в электропроводной среде, обеспечивающие процессы
на ионном уровне и способные быть источником лучистой энергии
и средством нагрева.
При комплексном воздействии на любое вещество можно полу-
чить много различных технологических операций, к которым отно-
сятся: изменение температуры, формы, структуры, состава, свойств
вещества и т. д.
По характеру действия на обрабатываемое вещество все элек-
тротехнологические установки условно подразделяются на элек-
тротермические, электрохимические, электромеханические и элек-
трокинетические.
Классификация электротехнологических установок представле-
на на рис. 1.1.
ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
1.2.
В основе работы электротермических установок лежит нагрев
изделий и материалов с помощью электрической энергии. Преоб-
разование электроэнергии в теплоту, а значит, и нагрев возможны
следующими способами:
нагрев сопротивлением, который происходит за счет выделения
теплоты в проводящем материале при протекании по нему элек-
трического тока. Этот вид нагрева основан на законе Джоу-
ля—Ленца и применяется в установках прямого и косвенного
действия. В установках прямого действия теплота выделяется
непосредственно в нагреваемом изделии. В установках косвен-
ного действия тепловая энергия выделяется в специальных на-
гревательных элементах (НЭ) и затем передается в нагреваемый
объект. В обоих случаях нагреваемый объект может быть в твер-
дом, жидком или газообразном состоянии;
индукционный нагрев, который происходит за счет преобразо-
вания энергии электромагнитного поля в тепловую энергию по-
средством наведения в нагреваемом теле вихревых токов. Этот
вид нагрева основан на законе Джоуля — Ленца и применяется
в установках прямого и косвенного действия;
дуговой нагрев, который происходит за счет теплоты электриче-
ской дуги, возникающей между электродами. Применяется
в установках прямого и косвенного действия;
10
диэлектрический нагрев, который происходит за счет сквозных
токов проводимости и смещения при поляризации. В этом слу-
чае полупроводник или непроводящий материал помещают
в высокочастотное электрическое поле;
электронный, или ионно-лучевой, нагрев, который происходит
за счет тепловой энергии, возникающей при столкновении бы-
стродвижущихся электронов или ионов, ускоренных электриче-
ским полем, с поверхностью нагреваемого объекта;
плазменный нагрев, который основан на нагреве газа за счет
пропускания его через дуговой разряд или высокочастотное
поле (электромагнитное или электрическое). Полученная таким
образом низкотемпературная плазма используется для нагрева
различных сред;
лазерный нагрев, который происходит за счет поглощения высо-
коконцентрированных потоков световой энергии поверхностью
нагреваемых объектов. Такие потоки энергии получают в лазе-
рах — оптических квантовых генераторах.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ НАГРЕВА
СОПРОТИВЛЕНИЕМ
1.3.
Принцип действия таких установок основан на законе Джоу-
ля —Ленца. Количество теплоты, выделяющейся в проводнике, при
прохождении по нему электрического тока зависит от сопротивле-
ния проводника, электрического тока в цепи, времени его прохож-
дения:
Q = I2Rt; Р = ^-,
pl
где Q — количество выделяющейся теплоты, Дж; I — ток, A; R — со-
11 ротивление, Ом; t — время, с; Р — мощность, выделяющаяся в про-
воднике, Вт; U— напряжение, В; S—площадь сечения, м2; р— удель-
ное сопротивление проводника, Ом м; I — длина проводника, м.
Источником теплоты в установках являются нагревательные
элементы. Выбор материала и конструкции НЭ определяется осо-
бенностями технологического процесса и конструкции установки.
По температурным пределам работы НЭ подразделяются на три
группы:
низкотемпературные (нагрев до 230... 430 °C);
среднетемпературные (нагрев до 630... 1030°C);
высокотемпературные (нагрев до 2230...3030°C),
11
Для изготовления НЭ с рабочей температурой до 1 230 аС наи-
более распространенными материалами являются:
нихром — сплав никеля (75... 78 %) и хрома (около 25 %);
фехраль — сплав железа (73 %), хрома (13%), алюминия (4 %);
хромоникелевые жаропрочные стали — сплав железа (до 61%),
хрома (22...27%), никеля (17...20%).
Для изготовления высокотемпературных НЭ наиболее распро-
странены карборунды (спекание кремнезема и угля — SiC), кера-
мика, графит, тугоплавкие металлы (молибден, тантал, вольфрам)
и др.
По форме среднетемпературные НЭ выполняются в виде зиг-
загов (проволочных и ленточных) или спиралей, а высокотемпе-
ратурные — в виде стержней круглого или квадратного сечения
и труб.
Для низкотемпературного нагрева широко применяются труб-
чатые электронагреватели (ТЭН). ТЭН представляет собой метал-
лическую трубку, заполненную теплопроводным электроизоляци-
онным материалом, в которой находится электронагревательная
спираль. Трубчатые электронагреватели электробезопасны, могут
работать в любой среде, стойки к вибрациям. Их мощность состав-
ляет до 15 кВт; напряжение — до 380 В; ресурс — до 40 000 ч; рабо-
чая температура — до 730 °C.
Примерами электроустановок нагрева сопротивлением явля-
ются: электрические печи сопротивления (ЭПС) и различные на-
гревательные устройства, обеспечивающие технологические про-
цессы производства. ЭПС применяются для технологических опе-
раций в машиностроении, металлургии, легкой промышленности
и т. п.
По исполнению ЭПС выпускаются косвенного и прямого дей-
ствия; по назначению — нагревательные и плавильные; по режиму
работы — периодически и непрерывно действующие.
По конструкции ЭПС бывают:
периодического действия (колпаковые, элеваторные, камерные,
шахтные);
непрерывного действия (конвейерные, толкательные, протяж-
ные).
ЭПС для плавки металлов. Они предназначены для выплавки
олова, свинца, цинка и других металлов с температурой плавления
до 530 °C. По конструктивному исполнению такие печи подразделя-
ют на тигельные и камерные (или ванные).
Тигельная ЭПС представляет собой металлический сосуд — ти-
гель, помещенный в цилиндрический корпус, выполненный из ог-
12
неупорного материала (футеровка). Нагревательные элементы рас-
положены на футеровке снаружи тигля. Коэффициент полезного
действия (КПД) печи составляет 50...55%; удельный расход элек-
троэнергии при плавке алюминия — 700... 750 кВт ч/кг.
Камерная ЭПС предназначена для переплавки алюминия
на слитки. Она имеет больший объем; КПД — до 60...65%; удель-
ный расход электроэнергии — 600... 650 кВт • ч/кг.
Во всех типах ЭПС возможен внутренний и внешний обогрев.
11ри внутреннем обогреве ТЭН размещены в расплавленном ме-
талле и работают при температуре не выше 570 °C. При внеш-
нем расположении открытых высокотемпературных нагревате-
лей можно получить температуру в рабочем пространстве печи
до 930 °C.
Электрооборудование и регулирование параметров ЭПС. Мощ-
ность современных ЭПС составляет от сотен ватт до нескольких
мегаватт. Печи мощностью более 20 кВт выполняются трехфазны-
ми при равномерном распределении нагрузки по фазам и подклю-
чаются к сетям 220, 380, 660 В непосредственно или через печные
трансформаторы (автотрансформаторы). Применяемое в ЭПС
электрооборудование (ЭО) включает в себя три группы: силовое
: )О, аппаратура управления и контрольно-измерительные прибо-
ры (КИП).
К силовому ЭО относятся:
силовые понижающие трансформаторы и регулировочные ав-
тотрансформаторы (АТ);
силовые электроприводы (ЭП) вспомогательных механизмов;
силовая коммутационная и защитная аппаратура.
К аппаратуре управления относятся комплектные станции
управления с коммутационной аппаратурой.
К КИП относятся приборы (устройства) контроля, измерения
и сигнализации (обычно они вынесены на щит).
Электрические печи сопротивления, получающие сетевое пи-
тание, значительно проще, так как не нуждаются в силовых транс-
форматорах.
Регулировочные трансформаторы и АТ целесообразно приме-
нять, когда печь выполнена с НЭ, меняющими свое сопротивление
в зависимости от температуры (вольфрамовые, графитовые, молиб-
деновые), для питания соляных ванн и установок прямого нагрева.
Все промышленные печи сопротивления работают в режиме
автоматического регулирования температуры. Регулирование ра-
бочей температуры в ЭПС производится изменением подводимой
мощности.
13
СзПС ~ ^(0 -Гизд- ^(0
Регулирование подводимой к печи мощности может быть дис-
кретным и непрерывным. При дискретном регулировании возмож-
ны следующие способы:
периодическое подключение и отключение ЭПС к сети (двухпо-
зиционное регулирование);
переключение НЭ печи со «звезды» на «треугольник» либо с по-
следовательного соединения на параллельное (трехпозиционное
регулирование).
Наибольшее распространение получило двух позиционное регу-
лирование, так как этот способ прост и позволяет автоматизировать
процесс. Процесс двухпозиционного регулирования температуры
ЭПС представлен на рис. 1.2.
Функциональная схема двухпозиционного дискретного регуля-
тора температуры ЭПС состоит из следующих основных элементов:
ПТК — прибор теплоконтроля для обработки входного сигнала
и выдачи исполнительного;
В — выключатель сетевой для подключения (отключения) ЭПС
к сети;
КВ — катушка выключателя.
Рядом показаны графики изменения температуры в печи (Turret
температуры изделия (Тизл) и потребляемой мощности (Р11(>тр).
Принцип действия состоит в следующем: в рабочем простран-
стве ЭПС температура контролируется датчиком температуры
(термопара, термометр сопротивления или фотоэлемент), сигнал
с которого поступает на вход, вырабатывает сигнал в зависимости
от отклонения фактической температуры от заданной и выдает его
на катушку выключателя.
14
1.4.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННОГО
НАГРЕВА. ОСНОВЫ ИНДУКЦИОННОГО
НАГРЕВА
Индукционный нагрев проводящих тел основан на поглоще-
нии ими электромагнитной энергии, возникновении наведенных
вихревых токов, нагревающих тело по закону Джоуля—Ленца.
Принципиальная схема индукционного нагрева включает в себя
индуктор, зазор и нагреваемое тело. Индуктор создает переменный
во времени магнитный поток, действующий на нагреваемое тело.
В нагреваемом теле возникает электродвижущая сила (ЭДС) Е, ко-
торая обеспечивает возникновение вихревых токов I и выделение
мощности Р:
Е= 4,44Фь7 -10-8;
Z2 '
где Е — ЭДС, возникающая в нагреваемом теле, В; Ф — магнитный
ноток, создаваемый индуктором, Вб; ю — число витков индуктора,
шт.; f— частота питающей сети, Гц; Р — мощность, выделяемая
в нагреваемом теле, Вт; R — сопротивление нагреваемого тела, Ом;
Z — полное сопротивление цепи, Ом.
Формы индукторов могут быть различными: цилиндрической,
плоской и др.
Индукторы изготавливают обычно из меди — немагнитного ма-
териала, охлаждаемого водой. Он имеет много витков и может на-
ходиться снаружи и внутри нагреваемого тела.
Максимальное значение КПД индуктора составляет 0,70... 0,88.
Коэффициент мощности зависит от зазора: чем больше зазор
между индуктором и нагреваемым телом, тем ниже созф. Глубина
нагрева тела увеличивается с ростом его удельного сопротивления
и снижается с увеличением частоты тока.
Достоинствами электроустановок индукционного нагрева явля-
ются:
высокая скорость нагрева и неограниченный уровень темпера-
тур;
простота автоматизации технологического процесса;
• возможность регулирования зоны действия вихревых токов
в пространстве (ширина и глубина прогрева);
хорошие санитарно-гигиенические условия труда.
15
Вместе с этим требуются более сложные источники питания
и повышенный удельный расход электроэнергии на технологиче-
ские операции.
Ток индукторов составляет от сотен до нескольких тысяч ампер
при средней плотности тока 20 А/мм2.
Индукционный способ нагрева применяется:
для плавки металлов и неметаллов;
поверхностной закалки;
нагрева изделий для пластической деформации и т. п.
Индукционные электротермические установки (ЭТУ) подраз-
деляются на плавильные, нагревательные и закалочные. Они могут
работать от источников на следующих частотах: 50 Гц — промыш-
ленная частота; 0,5... 10,0 кГц — средняя частота; сотни — тысячи
кГц — высокая частота.
Индукционные плавильные установки (печи). Они подразде-
ляются по конструкции на индукционные канальные печи (ИКП)
и индукционные тигельные печи (ИТП). Для рабочего процесса пе-
чей характерны:
а электродинамическое и тепловое движение жидкого металла
в ванне или тигле, что способствует получению однородного
по составу металла и равномерному прогреву по всему объему;
малый угар металла (в несколько раз меньше, чем в дуговых пе-
чах).
Применяются плавильные печи для производства фасонного ли-
тья из черных и цветных металлов.
Рабочие температуры печей: 750 °C — для выплавки алюминия;
1 200°C — для выплавки меди; 1 200... 1 400 °C — для выплавки чугу-
на; 1 600 °C — для выплавки стали.
Индукционные канальные печи работают только на промыш-
ленной частоте. Схема и конструкция однофазной ИКП представ-
лена на рис. 1.3.
Канал с расплавленным металлом 1 является короткозамкнутым
витком вторичной обмотки трансформатора. В канале расходует-
ся 90...95% подведенной к печи электрической энергии. В целях
уменьшения потока рассеяния Ф5 первичную (w\) и вторичную (w2)
обмотки располагают на одном стержне магнитопровода, по кото-
рому проходит основной магнитный поток Ф1. Магнитный поток
первичной обмотки Ф1Г пересекая канал с металлом, наводит в нем
эдс.
Возникающий в короткозамкнутом витке (канал с металлом)
ток, проходя по металлу, выделяет теплоту согласно закону Джоу-
ля— Ленца. По конструкции ИКП представляет собой футерован-
16
Рис. 1.3. Схема и конструкция однофазной индукционной канальной печи:
7 — канал с расплавленным металлом; 2 — шихтованный магнитопровод; 3 — ин-
дуктор; 4 — сливной носок; 5 — футерованная крышка; 6 — металлический корпус;
7 — футерованная ванна; 8 — металл; 9 — вентилятор; 10 — подовый камень
ную ванну 7, заключенную в металлический корпус 6. Индукцион-
ная единица состоит из индуктора 3, шихтованного магнитопрово-
да 2 из трансформаторной стали и подового камня 10 с охватываю-
1цими индуктор плавильными каналами 1.
** * Для слива металла 8 через сливной носок 4 печь наклоняется при
U [ юмощи гидро- или электропривода. Загрузку печи ведут сверху че-
рез проем, закрытый во время плавки футерованной крышкой 5.
Подъем крышки производится гидро- или электроприводом. По-
довый камень 10 охлаждается воздухом при помощи вентилятора
9 через зазор между индуктором и подовым камнем. Энергия к ин-
дуктору подводится по гибким кабелям.
Достоинством ИКП является их высокий энергетический КПД,
достигающий 60...95%. Вследствие большого зазора между индук-
тором и каналом печи, что вызвано необходимостью футеровки,
реактивная мощность печи в несколько раз больше ее активной
мощности, поэтому естественный cos(pn = 0,3...0,7.
Меньшие значения коэффициента мощности соответствуют
ИКП для плавки металлов с низким удельным сопротивлением
(медь, алюминий), а большие значения — с высоким (сталь, чугун).
Особенностями ИКП являются:
необходимость непрерывного режима работы;
необходимость оставления части металла при сливе (20...30%
полной емкости печи), сложность перехода к плавке других ме-
TdAAOB» t гг-т'- пи1Г- mu.'*1.*1 " — ’ ьи«.ц тс шин.. Hi 'I in
I П Jj'.i: 7 > •1 I 1 7
При плавке удельный расход электроэнергии составляет:
270... 330 кВ - ч/т — при плавке меди (емкость печи — 16 т; удель-
ная мощность — 30 кВт/т; производительность — до 10 т/ч
(13... 15 т/ч при плавке латуни));
360...500 кВт ч/т — при плавке алюминия (емкость печи —
от0,17 до40т; производительность — от0,075до 10т/ч);
95... 110 кВт ч/т — при плавке цинка (емкость печи — до 100 г,
производительность — 30 т/ч).
Индукционные тигельные печи (ИТП) работают на промышлен-
ных, средних и высоких частотах. Схема и конструкция однофаз-
ной ИТП представлена на рис. 1.4.
Индукционная тигельная печь состоит из индуктора 1, подклю-
ченного к источнику питания переменного тока, расплавленного
металла 2, находящегося внутри огнеупорного тигеля 4, и магнито-
провода внешнего 3, применяемого в печах большой емкости. Маг-
нитопровод предназначен для экранирования от полей рассеяния
индуктора и уменьшения потерь энергии. Нагрев и расплавление
садки происходят за счет вихревых токов, наводимых в пей. Плот-
ность тока в садке неравномерна (наибольшая — в слое, прилегаю-
щем к стенкам тигля; наименьшая — в центральной части). Вслед-
ствие этого возникает естественная циркуляция расплава в тигле,
скорость которой зависит от напряженности магнитного поля, ча-
стоты источника, удельной мощности печи и т. п. Кроме того, ИТП
имеют механизмы подъема крышки 5, наклона печи, загрузки (под-
весные тележки, мостовые краны и т. п.).
В ИТП большой емкости применяются источники питания про-
мышленной частоты; в ИТП средней и малой емкости — повышен-
ной и высокой частоты.
КПД печи определяется зазором между индуктором и садком.
При уменьшении толщины стенки тигля электрический КПД (г|э)
Рис. 1.4. Схема и конструкция однофазной ИТП:
1 — индуктор; 2 — расплавленный металл; 3 ~ внешний магнитолровод; 4 — огне-
упорный тигель; 5 — крышка
18
увеличивается, а тепловой (т|т) — уменьшается. Практически г|э =
- 0,6...0,8 (большие значения относятся к печам большой емкости
для плавки стали и чугуна; меньшие — к печам переплавки цветных
металлов (медь, алюминий)). Для компенсации реактивной мощно-
сти требуется установка конденсаторных батарей,
Печи могут работать с оставлением сплава (25 ...30% емкости ти-
гля) или без него. В тигель можно загружать любую шихту: отходы
литейного производства, чушки, мелкую стружку и т. п.
Неэлектропроводные тигли изготавливают из кварцитовых,
магнезитовых и циркониевых масс. Они размещаются внутри ин-
дуктора, не поглощают энергии электромагнитного поля и одно-
временно являются теплоизоляторами между расплавляемым ме-
таллом и охлаждаемыми стенками индуктора.
Электропроводящие тигли изготавливают из жароупорных ста-
лей, легированных чугунов и графитов. Они поглощают наиболь-
шую часть энергии переменного электромагнитного поля. Нагрев
осуществляется косвенный — излучением (для шихты раздроблен-
ной с малым коэффициентом заполнения) до расплавления, а после
расплавления — контактный. Наружные стенки таких тиглей долж-
1Ш быть изолированы от внутренних стенок индуктора.
Индукторы изготавливают из медной трубки (круглого или ква-
дратного сечения), охлаждаемой водой, накладываемой в один
слой. Обмотка состоит из нескольких катушек, имеющих раздель-
ное охлаждение. Магнитопроводы являются средством защиты
каркаса печи от нагрева магнитным полем.
ИТП выпускаются различных емкостей, мощностей и частот пи-
тающей сети.
Индукционные нагревательные установки (ИНУ). Такие уста-
новки относятся к установкам сквозного нагрева. ИНУ сквозного на-
। рева применяются для нагрева заготовок под последующую пласти-
ческую деформацию: ковку, штамповку, прессовку, прокатку и т. д.
Источники питания ИНУ выполняются на частотах от 50 Гц
до 10 кГц (промышленная и средняя). По режиму работы ИНУ под-
разделяются на установки периодического и непрерывного дей-
ствия. В установках периодического действия нагревается только
одна заготовка или ее часть.
В установках непрерывного действия одновременно находится
несколько заготовок, расположенных в продольном или попереч-
ном поле, В процессе нагрева они перемещаются подлине индукто-
ра, нагреваясь до заданной температуры. В таких нагревателях пол-
нее используется мощность источника питания, выше КПД и про-
изводительность, чем у установок периодического действия.
19
Индукторы выполняются круглого, овального, квадратного или
прямоугольного сечения; для нагрева концов заготовок — щелевы-
ми или петлевыми.
Индукционные закалочные установки (ИЗУ). Такие установки
относятся к установкам поверхностного нагрева, который основан
на поверхностном эффекте и эффекте близости.
При проявлении поверхностного эффекта ток в нагреваемом
изделии распределяется неравномерно. Наибольшая плотность
тока имеет место в поверхностных слоях изделия. Рост плотности
тока от центра к поверхности заготовки происходит по экспонен-
циальному закону ИЗУ применяются для подготовки детали под
последующую термохимическую обработку (закалка, цементация,
азотирование и т. п.).
Индукционная закалка заключается в быстром нагреве поверх-
ности изделия с последующим быстрым охлаждением на воздухе,
в воде или масле. При этом поверхность приобретает высокую
твердость и способность хорошо работать на трение, а мягкая серд-
цевина обеспечивает высокую сопротивляемость ударным нагруз-
кам. При таком нагреве удается во много раз уменьшить объем на-
греваемого металла {по сравнению со сквозным нагревом) и значи-
тельно сократить расход электроэнергии.
Источники питания ЭТУ. Любая ЭТУ состоит из следующих эле-
ментов:
источник питания;
согласующее устройство (трансформатор или автотрансформа-
тор);
конденсаторная батарея для компенсации реактивной мощно-
сти;
индуктор установки;
сеть источник—индуктор;
аппаратура защиты, автоматического управления и регулирова-
ния;
механизмы загрузки, выгрузки, перемещения нагреваемого из-
делия.
Так как по частоте потребляемого тока индукционные установки
выполняются на промышленной, повышенной и высокой частотах,
источники питания должны этому соответствовать.
Печные трансформаторы предназначены для питания печей
на промышленной частоте (50 Гц). Применяются одно- и трехфаз-
ные силовые масляные трансформаторы. Они имеют ступенчатое
регулирование напряжения переключением ответвлений обмотки
высокого напряжения (ВН).
20
1.5.
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Применение того или иного вида термической обработки в ма-
шиностроении связано с возможностью получения определенных
технических свойств. Поэтому удобно в качестве классификацион-
ного признака для различных видов термической обработки стали
принять характер изменения свойств. В соответствии с этой клас-
сификацией процессы термической обработки подразделяются
на четыре группы.
Первая группа — процессы термической обработки, приводя-
щие к упрочнению изделий во всем объеме: закалка с последую-
щим отпуском (например, высокотемпературным, — так называе-
мое улучшение), закалка с последующим старением.
Вторая группа — процессы термической обработки, приводя-
щие к поверхностному упрочнению изделий в целях повышения
износоустойчивости, предела выносливости (стойкость при зна-
копеременных нагрузках), устранения влияния концентраторов
напряжений и в некоторой степени общего упрочнения. Для этой
цели применяются поверхностная закалка и некоторые процессы
химике-термической обработки (цементация, азотирование, бори-
рование). К тем же результатам приводит поверхностный наклеп
(так называемая дробеструйная обработка).
Третья группа — процессы термической обработки, приводя-
щие к общему смягчению изделий, снятию внутренних напряже-
ний, повышению пластичности и ударной вязкости. К этой группе
относятся процессы отжига, нормализации и отпуска.
Четвертая группа объединяет процессы термической обработки,
которые придают поверхностным слоям изделий особые физико-хи-
мические свойства и способствуют защите изделий от атмосферной
коррозии, растворения в агрессивных средах, окисления и испаре-
ния при высоких температурах и т, п. Для этой цели применяются
некоторые разновидности химико-термической обработки: анти-
коррозионное азотирование, силицирование, алитирование и т.п.
Кроме указанных видов термической обработки в последнее
время все большее применение получает термомеханическая об-
работка, заключающаяся в совокупности процессов деформации,
нагрева и охлаждения в различной последовательности, в результа-
те чего формирование структуры сплава и изменение его свойств
происходят в условиях повышенной плотности несовершенств
строения, созданных пластической деформацией.
21
Процессы термообработки изделий из различных материалов
могут происходить при очень высоких температурах. Кроме того,
внутри термокамеры печи образуются агрессивные газы, которые
при высокой температуре могут за небольшое время вывести обо-
рудование из строя. Таким образом, огнеупорные изделия, произ-
водимые для футеровки внутренней поверхностей термокамер,
должны обладать не только стойкостью к высоким температурам,
но и инертностью к активным химическим веществам.
Огнеупорные плиты производятся из керамических смесей
на основе тугоплавких минералов кремния, углерода, бора, азота.
Все материалы — неметаллы; их тугоплавкость — не менее 1 580 °C.
К огнеупорным изделиям относятся не только огнеупорные тепло-
изоляционные плиты, но и различные порошковые смеси, массы,
мертели, а также специальные бетоны, служащие для наполнения
сложных форм. Производство огнеупорных бетонов и порошков
в мире неуклонно растет.
Классификация огнеупорных материалов разнообразна как
по применяемым для их изготовления минералам, так и по видам
и способам формирования, применению тех или иных связующих
компонентов. Разнообразные их сочетания в конечном составе
дают возможность получать огнеупорные изделия, выдерживаю-
щие даже температуры, превышающие 3 000 °C.
Применение конвейерных печей. В конвейерных печах могут осу-
ществляться процессы термообработки, начиная с цементации, ни-
троцементации, отпуска винтов, гаек, велосипедных деталей, ручного
инструмента, закалки механических частей автомобильной фурниту-
ры, креплений, цепей, подшипников, инструментов и других изделий
и заканчивая резким охлаждением в масле, воде, полимерах и солях:
цементация, закалка метизов: винтов самонарезающих, винтов
самосверлящих, шурупов;
закалка крепежа (болтов, гаек);
термическая обработка частей велосипедов, мотоциклов, авто-
мобилей;
термическая обработка ручного инструмента.
Комплексная термическая обработка металлов — процесс из-
менения структуры стали, цветных металлов, сплавов при их на-
гревании и последующем охлаждении с определенной скоростью.
Термическая обработка (термообработка) приводит к существен-
ным изменениям свойств стали, цветных металлов, сплавов. Хими-
ческий состав металла не изменяется.
Печи для термообработки металлов предназначены для прове-
дения различных видов термообработки (закалки, отжига, отпу-
22
ска) металлических изделий до температуры 1 300 °C, Существует
множество видов печей, каждый из которых предназначен для осу-
ществления определенного процесса, имеет свои технологические
преимущества.
Термическая обработка стали. Электрические печи. Печи ка-
мерные, с выдвижным подом или шахтные предназначены для тер-
мической обработки стали до температуры 1 200 °C (закалка, обжиг,
отпуск, предварительные нагревы). Печи облицованы преимуще-
ственно облегченными или волокнистыми материалами так, чтобы
соответствовать требованиям технологии нагрева и эксплуатации.
При рабочих температурах до 750 ’С они оснащаются вентиля-
торами. Принудительная циркуляция воздуха способствует равно-
мерному распределению температуры и наиболее быстрой переда-
че теплоты в шихту.
Система подсасывающих и вытяжных заслонок дает возмож-
ность замены печной атмосферы. Ее можно дополнить вентилято-
ром для интенсивного обмена воздуха.
Печи с выдвижным подом позволяют осуществлять завалку ших-
ты большой массы и размеров краном на вагонетку в пространстве
перед печью. Печные ворота открываются главным образом вверх
выше печи, или вручную, или электрическим приводом. Специаль-
ный способ прямого закрытия обеспечит плотное замыкание печи.
У вагонетки обычно электродвижущий привод.
Печной корпус обычно имеет круглое сечение; в случае большей
рабочей глубины он утоплен ниже уровня пола. Крышка печи под-
нимается и поворачивается в стороны вручную или гидравлически-
ми цилиндрами. Температура в печи измеряется термоэлектриче-
скими термометрами, термисторами или термостатами и регули-
руется цифровыми микропроцессорными приборами до установ-
ленного значения, несложной рамповой функцией или полностью
программируемыми регуляторами.
Потребляемая мощность печи управляется обычно бесконтакт-
ными полупроводниковыми устройствами (реле или тиристорными
блоками). К печам можно доставить закалочные ванны для закалки
в воду, полимер или масло. Двустенные ванны могут быть оснаще-
ны холодильным агрегатом, отоплением и отводом продуктов горе-
ния.
Электрические проходные печи — линии для термической об-
работки стали. Технологические линии предназначены для терми-
ческой обработки стальных поковок и литья.
Состав линии определяется требуемой термической обработкой
и следующими требованиями заказчика:
23
проходная закалочная роликовая печь — до 950 °C;
проходная роликовая печь для отпуска (изотермическая каме-
ра)—до 700 °C;
закалочная ванна (вода, полимер, масло) с холодильным агрега-
том;
установка для обезжиривания и полоскания;
холодильная камера;
поперечная передвижная;
опрокидное устройство;
принадлежности: электроузел управления, автоматическая си-
стема управления, коммуникация с персональным компьютером
(ПК).
Поковки транспортируются в печи в корзинах на роликовом
конвейере из жаропрочного материала. Входные и выходные от-
верстия закрыты утепленными воротами с электронным управле-
нием. Нагревательную систему газовых печей создают горелки,
регулирующий и защитный комплекты подвода газа, трубопровод,
разводка труб газа и воздуха горения. После заложения шихты в за-
кладочное место перед печью ее вывозят в закалочную печь. По ис-
течении нагрева шихта вывозится над закалочную ванну, где про-
исходит ее закалка.
Из закалочной ванны шихта направляется в передвижную, а за-
тем в передпечь для отпуска. После печи шихта вывозится в холо-
дильную камеру, где ее можно охлаждать на открытом воздухе,
обдувать вентиляторами или погружать в воду. В конечном итоге
шихта перемещается в опрокидывающийся конвейер. Нагрева-
тельные приборы сделаны из качественного омического материа-
ла, удобного для номинальной температуры и среды в печи.
Газовые печи с выдвижным подом. Они предназначены для
нагрева поковок перед ковкой и термической обработки (отжига)
шихты. Печь является периодически рабочим устройством. Шихта
ложится равномерно на основание (отжигательные подложки), по-
мещенное поперечно на печной вагонетке. В пространство между
отжигательными подложками и шихтой направлены газовые горел-
ки. Нагрев осуществляется перед ковкой.
Камерные подовые печи предназначены для нагрева шихты
на номинальную температуру до 1 280 °C. Печи работают как в дли-
тельном режиме, когда температура поддерживается на уровне
1 280 °C и в устройство вкладываются и отбираются подогретые за-
готовки, так и в периодическом режиме, когда предполагаются вло-
жение холодной шихты в подогретую печь, удержание на темпера-
туре и нарастание на температуру до 1 280 °C и удержание на ней.
24
Печные горелки разделены на несколько самостоятельно регу-
лируемых зон. Продукты горения выведены в отдельных шахтах
через клапан, управляемый двигателем, и ограничитель тяги, отку-
да после охлаждения они вступают в центральную тяговую трубу
и ствол дымовой трубы.
Колпаковые печи. Они образованы подами (или более пере-
движными подами) для вложения шихты и нагревательным колпа-
ком. Шихту вкладывают на основание на подах печи. После вложе-
ния шихты транспортирующее устройство с нагревательным кол-
паком заезжает выше пода. Колпак после опускания и прилегания
на под закрывает топочное пространство с шихтой. Газовое отопле-
ние горелки и их принадлежности выбирают в зависимости от типа
печи и ее использования.
Линии для термической обработки стали, линии с защитной
атмосферой. Электротермические установки служат для нагрева
изделий или плавки металла. Нагрев таких изделий, как кузнечные
заготовки, прутки, трубы и детали штамповального производства,
осуществляется в печах прямого нагрева. Принцип работы печей
заключается в том, что через обрабатываемую деталь пропускается
ток, достаточный для того, чтобы осуществить ее нагрев в пределах
заданной температуры.
Для плавки металла в промышленности применяются дуговые
электрические печи. В этих печах электрическая энергия превра-
щается в теплоту дуги, за счет которой и плавится металл. Они ис-
пользуются при выплавке изделий из качественных сталей, высо-
косортного чугуна, меди и снабжаются угольными и графитовы-
ми электродами. Питание дуговых электропечей осуществляется
от специальных печных трансформаторов. Регулировка темпера-
туры внутри печи происходит за счет изменения величины проте-
кающего по цепи тока путем сближения или удаления электродов.
В современных печах применяются регуляторы мощности, осу-
ществляющие автоматическое перемещение электродов.
Принципиальная схема питания электродуговой печи приведе-
на на рис. 1.5.
Для нагрева промышленных деталей и заготовок применяются
электрические печи сопротивления. В этих печах в результате про-
пускания тока через нагревательные элементы электрическая энер-
гия преобразуется в тепловую. Нагревателями в таких печах служат
металлические или угольные сопротивления либо сам нагреваемый
материал. В качестве нагревателя применяется также соль, которая
с повышением температуры становится достаточно хорошим провод-
ником и, расплавляясь, создает необходимую температуру нагрева,
25
Рис, 1.5. Принципиальная схема питания электродуговой печи:
ЭМУ — электромашинный усилитель; Д — электродвигатель подъема электродов;
КО — компенсационная обмотка
Разогрев соли осуществляется с помощью закладываемых в нее
нагревательных (в том числе угольных) элементов. Электрические
печи сопротивления подключаются непосредственно к цеховой
электросети или получают питание от специальных трансформа-
торов. Управление печами сопротивления обычно осуществляется
с помощью магнитных станций по схеме, приведенной на рис. 1.6.
Управлять печью можно вручную или автоматически. При руч-
ном управлении поворотом рукоятки универсального переключа-
теля (УП) по часовой стрелке замыкаются контакты 1 — 2. При этом
образуется цепь управления катушкой (по нижней ветви) и кон-
такты К в цепи главного тока включают печь. При автоматическом
управлении поворотом рукоятки переключателя УП замыкаются
контакты 3 — 4 и 5 — 6. В этом случае работа контактора К будет
зависеть от положения контактов электронного регулятора ЭРМ,
управляющего автоматическим включением.
В промышленности находят также применение индукционные
нагревательные установки. На рис. 1.7 показана индукционная
электропечь со стальным сердечником 3, представляющая собой
трансформатор с первичной обмоткой в виде катушки 1 и вторич-
ной обмоткой, выполненной в форме кольцевых каналов 2, запол-
26
Сеть
Рис 1.6. Принципиальная схема управления печью сопротивления:
1... 6—- контакты
ценных металлом. Последние со-
общаются с шихтой 4.
При пропускании тока по об-
мотке катушки металл, сосредо-
точенный в кольцевых каналах 2,
начинает разогреваться и в тече-
ние заданного промежутка време-
ни плавится. В результате того же
процесса происходит и плавление
металла, находящегося в шихте 4.
На металлообрабатывающих, ма-
шиностроительных и других заво-
дах используется способ поверх-
ностного индукционного нагрева
деталей. Устройство соответству-
ющих нагревательных установок
основано на принципе нагрева ме-
талла, помещенного в переменное
магнитное поле.
Нагрев происходит в результа-
те явлений электромагнитной ин-
дукции и возникновения в массе
Рис 1.7. Индукционная электро-
печь со стальным сердечником;
1 — катушка; 3 — канал; Э — сердеч- .
ник; 4 — шихта с металлом
27
Рис 1.8. Нагрев детали тока-
ми высокой частоты:
7 — нагреваемая деталь; 2 - ви-
ток индуктора
обрабатываемого металла вихревых
токов. При повышении частоты тока
резко возрастает неравномерность
прогрева металла. Быстрее разогрева-
ется поверхность металла, а в глубине
прогрев происходит значительно мед-
леннее. Это явление используется для
поверхностного разогрева металла
при его закалке, которая называется
высокочастотной закалкой.
Нагрев детали токами высокой ча-
стоты в специальном полом индукторе
показан на рис. 1,8, Конструктивное
устройство индуктора обусловлено
удобством охлаждения циркулирую-
щей водой.
Типы и конструкции печей сопро-
тивления косвенного нагрева. Электропечи сопротивления пе-
риодического действия разнообразны по конструкции. Они при-
меняются в индивидуальном или мелкосерийном производстве.
Наиболее широко распространены колпаковые, элеваторные, ка-
мерные и шахтные печи (рис. 1.9).
Колпаковая электропечь — печь периодического действия
с открытым снизу подъемным нагревательным колпаком и непод-
вижным стендом. Нагреваемое изделие (садка) 5 с помощью подъ-
емно-транспортных устройств помещается на стенд 1. Поверх них
сначала устанавливается жаропрочный колпак (муфель) 3, а затем
Рис. 1.9, Электропечи сопротивления периодического действия:
а — колпаковая; б — элеваторная; в — камерная; г — шахтная; 7 — стенд; 2 — камера
печи; 3 — жаропрочный муфель; 4 — нагревательные элементы; 5 - нагреваемое
изделие [садка]; 6 — опускающийся под; 7 — подъемное устройство; 8 — свод; 9 —
механизм подъема свода
28
основной колпак камеры печи 2, выполненной из металлического
каркаса с огнеупорной футеровкой. Нагревательные элементы 4
расположены по боковым стенкам колпака и в кладке стенда. Пита-
ние нагревательных элементов осуществляется с помощью гибких
кабелей и штепсельных разъемов.
Конвейерная электропечь представлена на рис. 1.10. Под печи
представляет собой конвейер — полотно, натянутое между двумя
валами, которые приводятся в движение специальными двигателя-
ми. Нагреваемые изделия укладываются на конвейер и передвига-
ются на нем через рабочее пространство печи. Конвейерная лента
может быть плетеной из нихромовой сетки, штампованных пластин
и соединяющих их прутков, а также — для тяжелых нагреваемых
изделий — из штампованных или литых цепных звеньев.
Конвейер размещается целиком в камере печи и не остывает. Од-
нако валы конвейера находятся в очень тяжелых условиях и требу-
ют водяного охлаждения. Поэтому часто концы конвейера выносят
за пределы печи. В этом случае значительно облегчаются условия
работы валов, но возрастают потери теплоты в связи с остывани-
ем конвейера у разгрузочных и загрузочных концов. Нагреватели
в конвейерных печах чаще всего размещаются на своде или в поду
под верхней частью ленты конвейера, реже — на боковых стенках.
Конвейерные нагревательные печи в основном применяются
для нагрева мелких деталей до температуры около 1 200 К.
Для высоких температур (выше 1 400 К) применяются печи не-
прерывного действия с перемещением садки путем проталкивания
вдоль рабочего пространства — толкательные печи. Они применя-
ются для нагрева как мелких, так и крупных деталей. На поду таких
печей устанавливаются направляющие в виде труб, рельсов или ро-
ликового пода, изготовленных из жароупорного материала, по ко-
торым в сварных или литых специальных поддонах перемещаются
нагреваемые изделия.
Рис. 1.10. Схема конвейерной электропечи непрерывного действия с пе-
ремещением садки на горизонтальном конвейере:
1 — теплоизолированный корпус; 2 — загрузочное окно; 3 — нагреваемое изделие;
4 — нагревательные элементы; 5 — конвейер
29
Перемещение поддонов обеспечивается электромеханическими
или гидравлическими толкающими устройствами. Основным преи-
муществом таких печей являются их простота, отсутствие сложных
деталей из жароупорных материалов; недостатком — наличие под-
донов, применение которых ведет к увеличению тепловых потерь
и повышенному расходу электрической энергии, ограниченный
срок службы поддонов.
Толкательные электропечи, предназначенные для нагрева
крупных заготовок правильной формы, выполняют без поддо-
нов (рис. 1.11). При этом нагреваемые изделия укладывают в печь
вплотную непосредственно на направляющие.
Толкательные водородные печи предназначены для различных
технологических процессов, требующих нагрева в водороде или
диссоциированном аммиаке. Они широко применяются в электро-
ламповом производстве, при производстве металлокерамических
деталей и твердых сплавов, для обжига и спекания керамики, для
отжига и пайки металлических деталей и т. д.
При использовании в качестве защитного газа водорода или дис-
социированного аммиака на загрузочных и разгрузочных камерах
печи предусмотрены «свечи» для контроля заполнения ее рабочим
газом. Состав рабочего газа каждой печи регулируется самостоя-
тельно и расход его контролируется с помощью расходомеров для
водорода и азота. Разгрузочные камеры печей имеют предохрани-
тельные клапаны для защиты от разрушения в случае образования
в них взрывоопасной смеси.
Протяжная электропечь — печь непрерывного действия для
нагрева проволоки, прутков или ленты путем непрерывной про-
тяжки через камеру нагрева (рис. 1.12). Она представляет собой
муфель с нагревателями, через который пропускается нагреваемое
изделие.
Рис. 1.11. Схема толкательной электропечи:
1 — толкатель с приводным механизмом; 2 — нагреваемые изделия; 3 — теплоизо-
лированный корпус; 4 — нагревательные элементы; 5 — подина печи; В — закалоч-
ная ванна
30
Рис. 1.12. Протяжная электропечь:
1 — теплоизолирующий корпус; 2 — нагрева-
тель; 3 — муфель; 4 — нагреваемое изделие
В протяжных печах применяется
также смешанный способ нагрева;
прямой — с помощью контактных
приводных роликов; косвенный — с помощью нагревателя. Косвен-
ный нагрев обеспечивает термообработку концов прутка в начале
и конце процесса, когда прямой нагрев не может быть осуществлен.
1.6.
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ ДЛЯ СВАРКИ
Сварка — процесс получения неразъемных соединений посред-
ством установления межатомных связей между соединяемыми де-
талями путем их совместного нагрева до размягчения или расплав-
ления, или путем пластической деформации, или того и другого
процесса.
По физическим признакам сварка подразделяется на три вида:
термическую, термомеханическую и механическую (рис. 1.13).
По виду подводимой теплоты сварка подразделяется на электри-
ческую и химическую (разогрев с расплавлением кромок сваривае-
мых деталей с помощью теплоты, возникающей при химических
реакциях.
Электронно-лучевая сварка (ЭАС) является одним из перспек-
тивных и быстро развивающихся способов соединения различных
металлов, в первую очередь тугоплавких, химически активных
и разнородных, качественных сталей, высокопрочных сплавов
на основе алюминия и титана.
Электронно-лучевая сварка основана на использовании тепло-
ты, которая выделяется при торможении остросфокусированного
потока электронов, ускоренных до высоких энергий. Явление тер-
мического воздействия электронных пучков на твердые материалы
известно издавна. В частности, это явление было отмечено в докла-
де В. Гроува, прочитанного в Лондонском королевском обществе
в апреле 1852 г.
Однако только благодаря развитию вакуумной техники и элек-
тронной оптики этот источник нагрева получил широкое примене-
11 ие сначала в сварочной, а затем в металлургической технике. Толч-
ком для поиска новых способов соединения материалов явились
трудности сварки таких металлов, как молибден, тантал, ниобий,
31
Рис. 1.13. Виды сварки металлов
вольфрам, цирконий, которые обнаружились в середине 1960-х гг.
Эти металлы составляют группу трудно свариваемых, так как об-
ладают высокими температурой плавления и химической активно-
стью. Это предполагает использование высококонцентрированных
источников теплоты и серьезной защиты зоны сварки.
В процессе ЭЛС в вакууме около 4... 10 мм рт. ст. обеспечивается
практически полное отсутствие примеси вредных газов. Высокая кон-
центрация энергии в электронном луче до 109 Вт/см2 при минималь-
ной площади пятна нагрева до 7... 10 см2 способствует уменьшению
термических деформаций при сварке, незначительным структурным
превращениям в зоне нагрева и обеспечивает формирование свар-
ного шва с ярко выраженной кинжальной формой проплавления.
Разработки техники и технологии ЭЛС были проведены в Мо-
сковском энергетическом институте и Институте электросварки
32
Рис, 1,14. Схема электронно-лучевой
снарки:
1 • электрическая спираль; 2 — катод; 3 —
ирикатодный электрод; 4 — ускоряющий
ншктрод (анод); 5 — фокусирующая систе-
мн; 6 — вакуум; 7 — отклоняющая система;
Н — свариваемое изделие; 9 — вакуумная
кимера; 10 — электронный луч
им. Е.О.Патона. Процесс сварки
реализуется в специальных уста-
новках. Схема электронно-лучевой
снарки представлена на рис. 1.14.
Электроны испускаются като-
дом, нагреваемым электрической
спиралью. Катод окружен прика-
годным электродом, к которому
также прикладывается отрицательный потенциал. Таким образом
осуществляется предварительная фокусировка электронов, выле-
тающих из катода в различных направлениях.
На некотором расстоянии от катода (обычно 3... 10 мм) располо-
жен ускоряющий электрод (анод), к которому приложен положи-
тельный потенциал. Из-за взаимного отталкивания электронов луч
постепенно расширяется. Для его сжатия используется фокусиру-
ющая система, осуществляющая фокусировку магнитным полем.
Точное наведение электронного пучка в зону сварки выполняет
магнитная отклоняющая система.
Скорость электронов может составлять до 150000 км/с и выше.
[ 1отгому, несмотря на очень малую массу электронов, их кинети-
ческая энергия (mv2/2) оказывается достаточной для нагрева бом-
< ia рдируемого изделия до температуры плавления и, следовательно,
снарки.
Технический вакуум при сварке выполняет следующие функции;
уменьшает потери кинетической энергии электронов, позволяя
им достигать свариваемого изделия практически без соударения
с молекулами воздуха;
защищает расплавленный металл от взаимодействия с окружа-
ющей атмосферой (качественное, чем защитный газ или флюс);
предотвращает дуговой разряд между катодом и анодом и обе-
спечивает химическую защиту катода;
способствует улучшению дегазации сварочной ванны, удалению
। жсидных пленок, что повышает качество соединения.
33
При создании сварочных электронных пушек были решены
многие вопросы, которые ранее в электронном приборостроении
не возникали. Для сварки потребовались пучки электронов с малы-
ми поперечными размерами, причем на значительном расстоянии
от пушки и в условиях существенного рассеяния на остаточных
газах и парах свариваемых металлов. Были сведены к минимуму
погрешности электронно-оптической системы. Технологические
и электронно-оптические характеристики пушки с однокаскад-
ной электростатической фокусировкой были улучшены введением
в конструкцию ускоряющего электрода.
Дальнейшим шагом в развитии ЭЛС стало применение так на-
зываемой комбинированной фокусировки, когда в электростатиче-
ском поле эмиссионной системы осуществляется предварительное
формирование пучка, а окончательное формирование — в области
электромагнитной фокусирующей линзы.
Достоинства электронно-лучевой сварки:
1) высокая концентрация ввода теплоты в изделие, которая вы-
деляется не только на поверхности изделия, ио и на некоторой
глубине в объеме основного металла. Фокусировкой электронно-
го луча можно получить пятно нагрева диаметром 0,0002...5 мм,
что позволяет за один проход сваривать металлы толщиной от де-
сятых долей миллиметра до 200 мм. В результате можно получить
швы, в которых соотношение глубины провара к ширине состав-
ляет до 20:1 и более. Появляется возможность сварки тугоплавких
металлов (вольфрама, тантала и др.), керамики и т.д. Уменьшение
протяженности зоны термического влияния снижает вероятность
рекристаллизации основного металла в этой зоне;
2) малое количество вводимой теплоты. Как правило, для получе-
ния равной глубины проплавления при электронно-лучевой свар-
ке требуется вводить теплоты в 4 — 5 раз меньше, чем при дуговой.
В результате резко снижается коробление изделия;
3) отсутствие насыщения расплавленного и нагретого металла
газами. Наоборот, в целом ряде случаев наблюдаются дегазация
металла шва и повышение его пластических свойств. В результате
достигается высокое качество сварных соединений на химически
активных металлах и сплавах, таких как ниобий, цирконий, титан,
молибден и др. Хорошее качество электронно-лучевой сварки до-
стигается также на низкоуглеродистых, коррозионно-стойких ста-
лях, меди и медных никелевых, алюминиевых сплавах.
Проплавление при электронно-лучевой сварке обусловлено
в основном давлением потока электронов, характером выделения
теплоты в объеме твердого металла и реактивным давлением ис-
34
паряющегося металла, вторичных и тепловых электронов и излу-
чением, Возможна сварка непрерывным электронным лучом. Од-
нако при сварке легкоиспаряющихся металлов (алюминия, магния
и др.) эффективность электронного потока и количество выделя-
ющейся в изделии теплоты уменьшаются вследствие потери энер-
гии на ионизацию паров металлов.
В этом случае целесообразно сварку вести импульсным элек-
тронным лучом с большой плотностью энергии и частотой импуль-
сов 100,,.500 Гц. В результате повышается глубина проплавления.
При правильной установке соотношения времени паузы и импуль-
са можно сваривать очень тонкие листы. Благодаря теплоотводу
во время пауз уменьшается протяженность зоны термического
влияния. Однако при этом возможно образование подрезов, кото-
рые могут быть устранены сваркой колеблющимся или расфокуси-
рованным лучом.
Основными параметрами режима электронно-лучевой сварки
являются сила тока в луче, ускоряющее напряжение, скорость пе-
ремещения луча по поверхности изделия, продолжительность им-
пульсов и пауз, точность фокусировки луча, величина вакуума. Для
перемещения луча по поверхности изделия используют перемеще-
11 ие изделия или самого луча с помощью отклоняющей системы. От-
клоняющая система позволяет осуществлять колебания луча вдоль
и поперек шва или по более сложной траектории. Низковольтные
установки используют при сварке металла толщиной более 0,5 мм
для получения швов с отношением глубины к ширине до 8:1. Вы-
соковольтные установки применяют при сварке более толстого ме-
талла с отношением глубины к ширине шва до 25:1.
Перед сваркой требуются точная сборка деталей (при толщине
металла до 5 мм — зазор не более 0,07 мм; при толщине до 20 мм за-
зор — до 0,1 мм) и точное направление луча по оси стыка (отклоне-
ние — не более 0,2 ...0,3 мм). При увеличенных зазорах (для преду-
11 реждения подрезов) требуется дополнительный металл в виде тех-
нологических буртиков или присадочной проволоки. В последнем
случае появляется возможность металлургического воздействия
на металл шва. Изменяя зазор и количество дополнительного ме-
талла, можно довести долю присадочного металла в шве до 50 %.
Недостатки электронно-лучевой сварки:
возможность образования несплавлений и полостей в корне шва
на металлах с большой теплопроводностью и швах с большим
отношением глубины к ширине;
необходимость длительного времени для создания вакуума в ра-
бочей камере после загрузки изделий.
35
1.7.
ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ
ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ
Вакуумные установки разрабатываются и изготавливаются для
технологий нанесения пленочных покрытий и модификации по-
верхности. В основном ориентируются на установки, оснащенные
магнетронными распылительными системами и ионными источни-
ками. Подбор наиболее подходящего типа магнетронов (сбаланси-
рованный, несбалансированный, круглый, протяженный, плоский,
вращающийся), источников питания (постоянного тока, высокоча-
стотного, импульсного), ионных источников (круглых, протяжен-
ных) позволяет создавать установки для реализации большинства
технологий нанесения покрытий.
Можно также оснастить установки другими типами технологи-
ческих устройств: дуговыми испарителями, источниками плазмы,
имплантерами, электронными пушками и т.д.
Вакуумные установки для нанесения покрытий ионно-плазмен-
ными методами подразделяются на два основных класса: установки
периодического (циклического) действия и установки непрерывно-
го действия (конвейерные и кластерные). Установки периодическо-
го действия состоят из одной вакуумной камеры и характеризуются
прерывистостью технологического процесса, т. е. в них выполнение
основных (нанесение покрытия) и дополнительных (нагрев, очист-
ка, травление и охлаждение подложки) рабочих операций следует
после выполнения холостых операций, таких как напуск воздуха
в камеры, загрузка и выгрузка изделий, откачка камер.
Установки непрерывного действия состоят из нескольких ваку-
умных камер, в которых непрерывность технологического процес-
са достигается за счет совмещения рабочих и холостых операций
во времени. Это обусловливает их большую производительность
(стоимость таких установок в несколько раз выше). Технологи-
ческие и исследовательские установки обычно разрабатываются
по техническим требованиям заказчика под конкретные задачи.
Схема установки для нанесения теплосберегающего покрытия
приведена на рис. 1.15. В вакуумной камере установлены непод-
вижно четыре стекла, между которыми может двигаться каретка
с технологическими источниками, наносящими покрытие. Вре-
мя прохода каретки вдоль камеры из одного крайнего положения
в другое составляет 1... 4 мин. Слои покрытия наносятся последова-
тельно. В зависимости от необходимой толщины слоя его наносят
либо за один проход каретки, либо за несколько. В частности, при
36
Рис. 1.15. Схема установки для
нанесения теплосберегающего по-
крытия:
1 — вакуумная камера; 2 — перемещае-
мая каретка с технологическими источ-
никами; 3 — четыре стекла 1,6* 2,3 мг
света
нанесении теплосберегающих покрытий слои серебра и нержаве-
ющей стали наносятся за один проход каретки каждый, слои оксида
титана — за несколько проходов. Измерение характеристик каждо-
го слоя осуществляется с помощью системы оптического контроля,
непосредственно в ходе технологического процесса.
После загрузки стекол в вакуумную камеру производится ее от-
качка до остаточного давления 10“4 Торр. Первой стадией процесса
является ионно-плазменная очистка стекол.
Электронно-лучевая сварка осуществляется в вакууме за счет
расплавления кромок основного металла сфокусированным пото-
ком электронов, имеющим высокую удельную мощность q2. Тех-
нологический диапазон для целей нагрева, плавления, испарения
составляет около 104... (5-108) Вт/см2. Сварка металлов малых тол-
щин (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q2» 104 Вт/см2, когда
испарение с поверхности сварочной ванны незначительно. Одно-
проходная сварка металлов больших толщин (до 200... 300 мм) тре-
бует q2- 105... 106 Вт/см2. В этом случае проникновение электронно-
го луча на большую глубину сопровождается испарением металла
и формированием канала проплавления, на стенках которого рас-
сеивается практически вся мощность электронного луча.
Канал проплавления, поверхность которого сильно перегрета от-
носительно температуры плавления металла Ти, и может достигать
температуры кипения 7’ки;|, движется через толщу металла, образуя
по всей глубине канала область расплава металла, который пере-
мещается в хвостовую часть ванны и там кристаллизуется. Переход
от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке металлов
Гн )лыпих толщин осуществляется по достижении критической удель-
ной мощности q2, Вт/см2. Высокая концентрация энергии в луче по-
зволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие свар-
ные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими
механическими свойствами металла шва и околошовной зоны.
Параметры и показатели ЭЛС. Параметрами электронного луча,
измеряемыми в процессе сварки, являются: ток луча I, ускоряющее
напряжение U, ток фокусирующей системы /ф, рабочее расстояние
37
(расстояние от центра фокусирующей системы до поверхности
свариваемого изделия) I, угол сходимости луча а, скорость переме-
щения луча V,
При заданных значениях параметров (мощности (Вт) q = IU, I,
1ф, а) можно определить диаметр электронного луча d и удельную
мощность q2, Вт/см2:
IU
nd2/к'
При использовании импульсно-периодического режима сварки
средняя мощность луча </гр, Вт, составляет:
Оср — InUfx,
где 1К — ток луча в импульсе, A; U — ускоряющее напряжение, В; f—
частота следования импульсов, Гц; т — длительность импульса, с.
Скорость сварки в импульсном режиме vCB, см/с, составляет:
vC[i = b(l-K)f,
где Ъ — диаметр сварной точки, см; К — коэффициент перекрытия
точек (обычно К = 0,5...0,9).
Количественными показателями ЭЛС являются:
затраты энергии на единицу длины сварного шва — погонная
энергия — = q/vvn (Дж/см);
затраты энергии на формирование единицы площади стыка —
Q2 = q/vnH (Дж/см2);
затраты мощности на единицу глубины сварного шва — q/H
(Вт/см);
К = И/В (К — коэффициент формы шва; Н — глубина шва; В —
ширина шва).
Камеры и вакуум для электронно-лучевой сварки. Электронно-
лучевую сварку осуществляют чаще всего вертикальным или гори-
зонтальным лучом (рис. 1.16) в вакуумных камерах, размеры кото-
рых зависят от габаритных размеров свариваемых изделий. Объем
камер современных установок составляет от 0,1 (и менее) до сотен
кубических метров.
Камера с находящейся на ней (или в ней) электронной пушкой,
формирующей электронный луч, может откачиваться как до вы-
сокого (около 10 3 Па), так и до низкого (около 1... 10 Па) вакуума,
ио с отдельной откачкой объема электронной пушки до 10 3 Па.
Даже в низком вакууме(около 1 Па) содержание кислорода в 17 раз,
а азота в 10 раз меньше, чем в особо чистом аргоне, поэтому при
ЭЛС защита расплавленного металла очень эффективна.
38
4
Рис. 1.16. Схема установки электронно-лучевой сварки:
7 — пушка; 2 — электронный луч; 3 — изделие (труба]; 4 — камера
Установки с выпуском электронного луча в атмосферу на рас-
стояние 15 — 20 мм при U = 175...200 кВ обеспечивают мощность
до 40 кВт и коэффициент формы шва К 3 из-за малой удельной
мощности вследствие сильного рассеяния луча.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение различным электротехнологическим уста-
новкам.
2. Перечислите способы нагрева электроустановок.
3. Расскажите о принципе действия индукционной печи.
4. Дайте определение процессам термической обработки по груп-
пам.
5. Расскажите о схеме питания электродуговой печи.
6. Перечислите методы сварки и дайте определение сварки.
7. Объясните назначение электродуговой сварки. Перечислите
ее достоинства и недостатки. Расскажите о принципе действия
сварки.
8. Назовите назначение вакуумных установок для нанесения тон-
копленочных покрытий.
Глава 2
ОСНОВЫ СВЕТОТЕХНИКИ
2.1.
ХАРАКТЕРИСТИКА СВЕТА: СВЕТОВОЙ
ПОТОК, СИЛА СВЕТА, ОСВЕЩЕННОСТЬ,
ЯРКОСТЬ
Одним из основных понятий в системе световых величин яв-
ляется световой поток, так как он определяет эффективность дей-
ствия потока лучистой энергии, оцениваемого глазом по световому
ощущению.
Часть мощности лучистой энергии (лучистого потока), воспри-
нимаемую человеческим глазом как световое ощущение, называ-
ется световым потоком Ф. В практике за единицу измерения свето-
вого потока принят люмен (лм).
Источники света в виде светящейся точки излучают световой по-
ток по всем направлениям равномерно. Источники света в технике
излучают световой поток в пространстве неравномерно, вследствие
чего он имеет неодинаковую плотность.
Световой поток. Все источники света излучают световую энер-
гию, распространяющуюся в пространстве в виде электромагнит-
ных колебаний или волн различной длины. Световым потоком, из-
меряемым в люменах, называется количество световой энергии,
проходящее через какую-либо площадь в единицу времени.
Единицей световой энергии является люмен-секунда (лм-с).
Световой поток оценивается по производимому на глаз человека
световому действию, Глаз обладает неодинаковой (избирательной)
чувствительностью к различным цветам. Световые потоки одина-
ковой величины, но с волнами различной длины производят на глаз
40
различные зрительные воздействия. Различают однородные излу-
чения — с определенной длиной волны — и сложные излучения,
представляющие совокупность нескольких однородных излучений.
Излучения с длинами волн от 380 до 780 ммк (миллимикрон) вос-
принимаются глазом как белый свет. Глаз наиболее чувствителен
к световому потоку с длиной волны 555 мк, создающему желто-зе-
леные цвета.
Сила света. Световой поток, излучаемый источниками света,
распределяется в пространстве неравномерно. Следовательно, для
характеристики источника света необходимо кроме его величины
знать его плотность в различных направлениях пространства.
Пространственная плотность светового потока называется си-
лой света.
При неравномерном излучении источником света светового по-
тока сила света Iчисленно определяется как отношение бесконечно
малого светового потока 6Ф, равномерно распределенного в преде-
лах бесконечно малого телесного угла do с вершиной у источника
света, к величине этого телесного угла:
Точечный
источник
света
Рис. 2.1. Телесный угол
Сила света I измеряется в свечах (св.). При равномерном рас-
пределении светового потока в пределах телесного угла, имеющего
конечные размеры, сила света в направлении оси угла
Ф
I = —. (2.2)
10
Часть пространства, ограниченная конической поверхностью, на-
зывается телесным, или пространственным, углом. Телесный угол
определяется как отношение площади участка сферы S, на которую
телесный угол опирается, к ква-
драту радиуса сферы R2 (рис. 2.1):
(2.3)
Единицей телесного (про-
странственного) угла является
стерадиан (ср). Телесный угол
в 1 ср представляет собой теле-
сный угол, который вырезает
на поверхности сферы площадь,
равную квадрату радиуса дан-
ной сферы:
41
(2.4)
(2.5)
5 RЕ 2 ,
“ = F = F = lcp-
Наибольший телесный угол, охватывающий все пространство
вокруг светящейся точки (сферы), составляет:
4я/?2
св - —— = 4тг,
R2
где 4kR2 — полная поверхность сферы (шара).
По решению 13-й Генеральной конференции по мерам и весам
в 1967 г. за единицу силы света принята кандела (кд). Одна кандела
представляет собой силу света точечного источника, излучающего
равномерно световой поток, равный 1 лм, внутри телесного угла
в 1 ср:
(2.6)
, 1 лм
1 КД = --
1 ср
Освещенность. Поверхностная плотность светового потока.
Световой поток, падая на любую поверхность, освещает ее. Для ко-
личественной оценки плотности светового потока на освещаемой
поверхности пользуются понятием освещенности Е, т. е. отношени-
ем светового потока к площади освещаемой им поверхности:
Е = —,
S
где Ф — световой поток, падающий равномерно на освещаемую
поверхность, лм; S — площадь освещаемой поверхности, м2.
При неравномерном освещении поверхности, т.е. при разной
поверхностной плотности светового потока, освещенность поверх-
ности определяется выражением
_ с!Ф
Е = —,
dS
где 6Ф — бесконечно малая величина светового потока, равномер-
но распределяющегося в пределах бесконечно малого участка dS
освещаемой поверхности.
Средняя освещенность при неравномерном распределении све-
тового потока по освещаемой поверхности составляет:
Е = *
$
Единицей освещенности является люкс (лк). Освещенность, рав-
ная 1 лк, будет иметь место, если на освещенную поверхность площа-
дью 1 м2 падает равномерно распределенный световой поток в 1 лм.
(2.7)
(2.8)
(2.9)
42
Яркость. Световой поток от источника света, падая на поверх-
ность какого-либо предмета, частично ею отражается. При наблю-
дении в глаз наблюдателя попадает лишь часть отраженного све-
тового потока от поверхности предмета, вызывающая зрительное
восприятие. Чем больше отраженного светового потока от поверх-
ности предмета попадает в глаз наблюдателя, тем сильнее зритель-
ное ощущение этого предмета.
Поверхности предметов с различными окрасками и отражающи-
ми свойствами при равной освещенности воспринимаются по-раз-
ному органом зрения наблюдателя. Например, поверхность куска
мела, имеющего лучшие отражающие свойства, чем поверхность
куска угля, отражает больше светового потока в направлении глаза
наблюдателя и лучше видна. Таким образом, освещенный предмет
тем лучше виден, чем большую силу света (плотность светового по-
тока) отражает его поверхность в направлении глаза наблюдателя,
а также чем больше видна его поверхность.
Условия видения количественно характеризуются яркостью.
Яркостью освещаемой поверхности в каком-либо направлении на-
зывается отношение силы света, излучаемой поверхностью в дан-
ном направлении, к площади проекции освещаемой поверхности
на плоскость перпендикулярно тому же направлению. Если лучи
от плоской освещаемой поверхности, направленные к глазу челове-
ка, перпендикулярны этой поверхности, то яркость L освещаемой
поверхности
1 = 4 (2.10)
О
где I — сила света, перпендикулярная освещаемой поверхности, кд;
S — площадь поверхности, м2.
Если глаз рассматривает освещаемую поверхность под углом
а, ограниченным нормалью к этой поверхности и линией зрения,
то он увидит часть этой поверхности.
Источник света, имеющий форму шара диаметром D и излучаю-
щий равномерно во все стороны силу света /, обладает яркостью
1 = -— • (2.11)
*^шара
Зная, что проекция шара в любом направлении равна площа-
ди круга kD2/4, можно определить среднюю яркость светящегося
шара:
L = ^-.
tiD2
(2.12)
43
2.2.
ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ОСВЕТИТЕЛЬНЫЕ
ПРИБОРЫ
Электрическое освещение предназначено для создания ком-
фортных световых условий в быту, на производстве и в различных
учреждениях. Основными устройствами в электрическом освеще-
нии являются источники света. Источники света преобразуют элек-
трическую энергию в электромагнитные волны видимого спектра
от 0,38 до 0,78 мкм.
Источники света подразделяются на тепловые и газоразрядные.
Тепловые источники света при нагревании излучают свет. К ним
относятся лампы накаливания, дуговые угольные источники, раз-
личные инфракрасные нагреватели. Газоразрядные источники
света используют разряд в газах при прохождении электрическо-
го тока, в результате чего излучается свет. К газоразрядным источ-
никам света относятся люминесцентные лампы, дуговые ртутные
лампы, лампы высокочастотного и импульсного разряда,
Электрические источники света характеризуются световыми
и электрическими величинами. К электрическим величинам от-
носятся номинальное напряжение, мощность и ток. Основными
световыми величинами являются световой поток Ф, излучаемый
лампой, световая отдача лампы и освещенность Е. Единицей све-
тового потока является люмен (лм). Световая отдача лампы равна
отношению светового потока Ф к потребляемой источником элек-
трической мощности Р. Единицей световой отдачи является люмен
на ватт (лм/Вт). Чем больше световая отдача, тем более экономич-
ным и совершенным является источник света.
Важной характеристикой электрических источников света яв-
ляется срок их службы, измеряемый в часах. Срок службы широко
применяемых источников света составляет от 200 до 20 000 ч.
Основной задачей электрического источника света является соз-
дание необходимой освещенности рабочей поверхности. Освещен-
ность Е определяет интенсивность светового потока Ф на освещае-
мой поверхности S, т.е. Е = Ф/5. Единицей освещенности является
люкс (лк), Чем больше освещенность, тем более комфортными яв-
ляются условия работы. Распределение освещенности по рабочей
поверхности зависит от источника света, расстояния до него и вида
светильника.
Выбор освещенности различных рабочих мест производится
в соответствии со строительными нормами и правилами (СНиП). Ра-
бочие места характеризуются разрядами в зависимости от зритель-
44
ной работы с объектами различных размеров.
Так, зрительные работы с объектами размером
0,1 мм требуют освещенности рабочего места
в 5 000 лк, а работа с объектами размером более
5 мм — 200 лк. Для освещения площадей и улиц
в ночное время достаточно 15...20 лк.
Лампы накаливания. Лампы накаливания
(ЛН) находят широкое применение в качестве
источников света в быту и на производстве.
Это объясняется их простой конструкцией
и простотой в эксплуатации. Лампа накалива-
ния не требует специальных дополнительных
устройств для включения в электрическую
цепь. Конструкция ЛН приведена на рис. 2.2.
Основными элементами ЛН являются колба
Рис. 2.2. Пампа:
7 — колба; 2 — воль-
фрамовая нить; 3 —
цоколь
1, вольфрамовая нить 2 и цоколь 3. Вольфрамовая нить при нагре-
вании излучает свет и теплоту, что приводит к испарению и утонче-
нию нити. Для замедления этого процесса колбы либо выполняются
вакуумными, либо наполняются инертным газом (криптоном, арго-
ном и др.). Материалом нити обычно служит тугоплавкий металл —
вольфрам. Для увеличения светоотдачи ЛН нить накала выполняет-
ся в виде спирали. Для соединения ЛН с сетью служит цоколь, кото-
рый имеет несколько типоразмеров: El 1, Е27, Е40. Срок службы ЛН
составляет 1 000... 1 100 ч.
Основным достоинством ЛН являются простота конструкции
и эксплуатации. Номенклатура ЛН составляет более 1 500 наиме-
нований. На некоторых производствах применяются только лампы
накаливания.
Недостатками ЛН являются малая светоотдача, небольшой срок
службы и большая зависимость срока службы от напряжения. При
повышении напряжения на 10% срок службы ЛН сокращается
в 3 — 4 раза.
Галогенные лампы накаливания. В настоящее время широ-
кое распространение получили галогенные лампы накаливания
(ГЛН). Материалом накала является вольфрам, а колба изготовлена
из кварцевого стекла и заполнена ксеноном с добавкой галогенного
элемента. Образующиеся во время работы галогениды вольфрама
препятствуют испарению вольфрама накала. Это позволяет повы-
сить вдвое срок службы ГЛН по сравнению с ЛН при большей сне-
говой отдаче. Световая отдача ГЛН в 2 — 3 раза больше, чем у ЛН.
Устройство ГЛН представлено на рис. 2.3. В длинную кварце-
вую колбу 5 помещена вольфрамовая спираль-накал 4, закреплоп-
45
Рис. 2.3. Галогенная лампа накаливания:
7 — выводы; 2 — молибденовая фольга; 3 — вольфрамовые вводы; 4 — спираль-
накал; 5 — кварцевая колба; 6 — корпус
ная на держателях. Вольфрамовые вводы 3 соединены с выводами
1 с помощью впаянной в кварц молибденовой фольги 2. Накал ГЛН
изготавливается из специальных марок вольфрамовой проволоки
в виде спирали. Основное применение ГЛН находят в светильниках
общего освещения и прожекторах, киносъемочном освещении, ав-
томобильных фарах, аэродромных огнях и т. д.
Люминесцентные лампы. Эти лампы используют свойство элек-
трического разряда в газовой среде. В зависимости от рода газа или
паров металла можно получить световой поток любой цветности.
Конструкция люминесцентной лампы (ЛЛ) показана на рис. 2.4, а.
Люминесцентная лампа состоит из стеклянной трубки 1, двух спи-
ралей 3, расположенных на обоих концах, ножки 4, связывающей
спираль с цоколем 6, и контактных штырей 5. Чтобы увеличить све-
тоотдачу, внутреннюю поверхность стеклянной колбы покрывают
специальным составом — люминофором 2.
Во время электрического разряда возникают ультрафиолетовые
лучи, которые воздействуют на люминофоры и преобразуют неви-
димые ультрафиолетовые лучи в спектр видимого излучения. Это
явление называется люминесценцией.
Разряд в электрическом газе зависит от многих факторов: прило-
женного напряжения; типа газа; наличия паров металлов; частоты
тока; температуры и т. д. Для облегчения появления разряда в лампе
в колбу добавляют вместе с инертным газом небольшое количество
паров ртути. В момент включения две спирали, расположенные
Рис. 2.4. Конструкция (а) и схема (б) люминесцентной лампы:
1 — трубка; 2 — люминофор: 3 — спираль; 4 — ножка; 5 — штыри; 6 — цоколь
46
на обоих концах трубки, нагревают пространство вокруг электро-
дов. Это пространство ионизируется и происходит электрический
разряд. После появления разряда спирали отключаются специаль-
ным устройством — стартером (Ст). Для ограничения тока после
появления в АЛ разряда добавляют балластный дроссель (Др).
Наиболее типичная схема включения ЛЛ со стартером и дроссе-
лем показана на рис. 2.4, б, В схеме дроссель не только ограничивает
ток ЛЛ после зажигания, но и способствует зажиганию лампы.
Современные ЛЛ имеют большую светоотдачу и высокий КПД.
Срок службы ЛЛ более продолжительный, чем у ЛН, и достигает
14000 ч. Применяются ЛЛ для освещения учреждений и промыш-
ленных предприятий.
Недостатками ЛЛ являются необходимость пускоретулирующих
устройств при подключении к сети и пульсация светового потока.
Дуговые ртутные люминесцентные лампы. В отличие от газо-
разрядных трубчатых люминесцентных ламп, которые заполнены
инертным газом низкого давления, дуговые ртутные люминесцент-
ные лампы (ДРЛ) относятся к газоразрядным лампам высокого дав-
ления.
Дуговая ртутная люминесцентная лампа (рис. 2.5) состоит из
кварцевой разрядной трубки 5, помещенной в стеклянную колбу 3.
Внутренняя поверхность колбы покрыта слоем люминофора фос-
фат-ванадат иттрия 4. Видимое излучение ртутного разряда (элек-
трод 6) проходит через слой люминофора,
а ультрафиолетовое излучение кварцевой
горелки люминофор преобразует в види-
мую красную область спектра. Это позво-
ляет примерно в 10 раз увеличить яркость
ламп по сравнению с ЛЛ.
Дуговые ртутные люминесцентные
лампы изготовляются мощностью от 80
до 4 000 Вт со средним сроком службы
10000... 12000 ч. Для облегчения зажига-
ния большинство ДРЛ имеют кроме двух
основных электродов еще два вспомога-
тельных (7 и 8). Обычно ДРЛ подключа-
ются в сеть либо с дросселем (рис. 2.6, а),
либо с трансформатором (рис. 2.6, б).
Основные области применения ДРЛ: на-
ружное освещение, освещение промыш-
ленных предприятий с высокими потол-
ками.
Рис. 2.5. Дуговая ртутная
люминесцентная лампа:
7 — экран; 2,7,8 — вспомо-
гательные электроды; 3 -
колба; 4 — спой люминофо-
ра: 5 — разрядная трубка;
6 — электрод
47
а б
Рис. 2.6. Пусковые схемы ДРЛ с дросселем (а) и трансформатором (б)
К недостаткам ДРЛ относятся большое содержание красного
цвета и высокий коэффициент пульсации. В маркировке ламп циф-
ра соответствует мощности. Например, ДРЛ 700 означает дуговую
ртутную лампу мощностью 700 Вт.
Натриевые лампы. Эти лампы в настоящее время являются са-
мыми экономичными источниками света. Различают натриевые
лампы низкого давления (НЛНД) и натриевые лампы высокого
давления (НЛВД). Так, НЛНД имеют большую световую отдачу,
но неудовлетворительную цветовую передачу, поэтому большее
распространение получили НЛВД типа ДНаТ (дуговые натриевые
трубчатые). Лампы ДНаТ (рис. 2.7) представляют собой стеклянную
цилиндрическую или эллиптическую колбу, внутри которой поме-
щается разрядная трубка из поликристаллического оксида алюми-
ния. В этих лампах используется разряд в парах натрия, ртути и за-
жигающем газе ксеноне. Рабочее давление паров натрия составля-
ет 4... 14 кПа. При таком давлении желтый цвет приобретает белый
оттенок.
Лампы ДНаТ применяются для освещения больших по площади
территорий, улиц, автодорог, различных карьеров, портов и успеш-
но заменяют ДРЛ. Для зажигания лампы ДНаТ применяют специ-
альные пусковые устройства (рис. 2.8). В некоторых лампах неболь-
шой мощности пусковое устройство размещено в цоколе лампы.
Цифры типа лампы соответствуют мощности лампы.
Энергосберегающие люминесцентные компактные лампы.
За рубежом и в России освоено производство энергоэкономичных
компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) со встроенным элек-
Рис. 2.7. Натриевая лампа типа
ДНаТ цилиндрическая
Рис. 2.8. Схема пускового устройст-
ва для ламп ДНаТ:
ИЗУ — индукционная закалочная уста-
новка
48
Рис. 2.9. Типы (а...г] компактных люминесцентных ламп
тронным пусковым устройством и цоколем обычной лампы нака-
ливания Е22, Е27.
Типы компактных люминесцентных ламп показаны на рис. 2.9.
Наличие электронного пускового устройства обеспечивает мгно-
венное зажигание лампы и уменьшает пульсацию светового по-
тока, что благотворно сказывается на зрении человека. Так, КАЛ
потребляет в пять раз меньше электроэнергии и имеет в 8— 10 раз
больший срок службы по сравнению с лампами накаливания. На-
пример, компактные лампы Саранского завода «Лисма» КЛЭ мощ-
ностью 11 Вт эквивалентны по световому потоку АН мощностью
60 Вт (табл. 2.1).
В ближайшем будущем КАЛ, несомненно, вытеснят привычные
лампы накаливания.
Газоразрядные лампы типов ЛЛ, ДРЛ, ДНаТ и ряд других имеют
пусковые устройства. В комплект пусковых устройств, как правило,
входит индуктивное балластное сопротивление для ограничения
тока дугового разряда. Наличие индуктивного сопро тивления в цепи
лампы приводит к появлению фазового сдвига между напряжением
Таблица 2.1. Мощности и световые потоки компактных
люминесцентных ламп и ламп накаливания
Типы КАЛ Мощность, Вт Световой поток, ЛМ Мощность аналогичной лампы накаливания, Вт
КЛЭИ-4 И 600 60
КЛЭ 15-4 15 900 75
КЛЭ20-4 20 1 200 100
КЛЭ23-4 23 1 500 120
49
и током лампы и, как следствие, к уменьшению коэффициента мощ-
ности cos ср. Чтобы увеличить коэффициент мощности, в электриче-
ские схемы ламп добавляют конденсаторы, компенсирующие появ-
ляющуюся от балластных сопротивлений реактивную мощность.
Особенностью газоразрядных ламп является также конструк-
тивное исполнение пусковых устройств в цоколе лампы. В этом слу-
чае вместо крупногабаритных пусковых устройств применяют ком-
пактные электронные пусковые регулирующие аппараты (ПРА),
которые размещают в цоколях ламп. В настоящее время такими
устройствами оснащаются КЛЛ и некоторые лампы ДНаТ.
Осветительные приборы. Осветительные приборы являются
разновидностью световых приборов, предназначенных для осве-
щения различных объектов (например, светильники, прожекторы,
проекторы и др.). Далее рассмотрены наиболее распространенные
осветительные приборы и характер создаваемого ими освещения.
Современная светотехника и электроника предоставили в рас-
поряжение фотографов множество разнообразных по конструк-
ции и световым параметрам источников света, начиная от обычных
электрических и кончая импульсными газоразрядными лампами.
Электрические лампы, которые используются для освещения поме-
щений, различаются между собой по мощности, а значит, и по силе
создаваемого ими светового потока и имеют прозрачный, матиро-
ванный или молочный стеклянный баллон. Такая окраска стекла
баллона позволяет получать более мягкое рассеянное освещение.
Промышленностью выпускаются также специальные фотолам-
пы, яркость которых ощутимо больше яркости обычных электро-
ламп, что достигается горением лампы в режиме перекала. Срок их
службы колеблется в пределах 2... 8 ч, в связи с чем их следует вклю-
чать только на короткое время самой съемки. Как обычные, так
и перекальные электролампы могут иметь внутренний зеркальный
отражатель, позволяющий концентрировать в одном направлении
идущие от раскаленной нити лучи света. Чрезвычайно малыми раз-
мерами и высокой яркостью характеризуются кварцевые галоген-
ные лампы. Внутренний объем баллона в них заполнен парами йода,
значительно улучшающими светотехнические параметры ламп.
Самостоятельную группу представляют собой импульсные га-
зоразрядные лампы, излучающие свет в виде очень короткого
( 1 1 ) п - «
----...-----с и мощного светового импульса. Внутренний объ-
1500 10 000 )
ем баллона таких ламп заполнен инертным газом — ксеноном, че-
рез который в обычных условиях электрический ток не проходит.
Когда же с помощью высоковольтного импульса напряжения газ
50
^£7
в баллоне лампы ионизируется и становится проводником элек-
трического тока, через него происходит разряд специального кон-
денсатора, накопившего большой электрический заряд, и газ, пре-
вратившись на тысячную долю секунды в плазму, излучает мощный
световой импульс.
Преимуществами таких ламп являются малые размеры, большая
яркость, высокая экономичность и постоянство светового потока;
недостатком — невозможность визуально контролировать светоте-
невой рисунок, создаваемый таким источником на объекте съемки.
Осветительные лампы без специальных рефлекторов использу-
ют очень редко, поскольку они освещают в равной степени не толь-
ко объект съемки, но и все окружающие предметы. При этом обра-
зуется большое количество случайного рассеянного света, появля-
ются паразитные блики и рефлексы, мешающие съемке. Поэтому
для более полного использования света лампы и возможности на-
правлять ее световой поток в нужную сторону применяют специ-
альные рефлекторы, от формы и размеров которых в значитель-
ной степени зависит характер идущего от лампы светового потока.
В большинстве случаев рефлекторы снабжены арматурой (зажи-
мы, струбцины), позволяющей закреплять их в нужном положе-
нии и в определенном месте. Рефлектор с лампой можно крепить
к спинкам стульев и к другой мебели или специальным штативам.
Для освещения можно использовать и обычные бытовые осве-
тительные приборы (настольные лампы, бра, люстры, торшеры
и т. д.), однако они менее удобны и в большинстве случаев не позво-
ляют создавать необходимое освещение объекта съемки,
Импульсные электронные приборы, называемые лампами-
вспышками, очень разнообразны — это и миниатюрные лампы не-
большой мощности, предназначенные для фотолюбителей, и более
мощные осветители, рассчитанные в основном на профессиональ-
ных фотографов. Во всех случаях питание таких ламп-вспышек осу-
ществляется от сети переменного тока, батарей или встроенных ак-
кумуляторов. Синхронизация световой вспышки лампы с работой
затвора фотоаппарата осуществляется с помощью специального
провода синхронизации, либо путем непосредственного электри-
ческого соединения цепей синхронизации лампы со встроенными
в фотоаппарат контактами, либо световым лучом.
Поскольку длительность светового импульса очень мала, необхо-
димо, чтобы в момент вспышки кадровое окно фотоаппарата было
полностью открыто (в противном случае проэкспонируется только
часть кадра и снимок будет испорчен). Это условие выполняется для
всех выдержек в фотоаппаратах с центральными затворами и для
51
длительных выдержек в фотоаппаратах со шторными затворами.
В описании фотоаппарата всегда указывается наиболее короткая
выдержка для съемки с лампой-вспышкой. Безусловно, можно вос-
пользоваться и более длительными выдержками, однако необходи-
мости в этом нет.
Съемке в условиях искусственного освещения присущи свои
особенности. Большое значение имеет расстояние между объек-
том съемки и источником света, которое чаще всего ограничено
несколькими метрами. Изменение этого расстояния неизбежно
приводит к изменениям в освещенности. Изменение освещенно-
сти пропорционально квадрату изменения расстояния. Так, если
расстояние между осветителем и фотографируемым объектом уве-
личить вдвое, то освещенность объекта уменьшится вчетверо. Это
необходимо учитывать при съемке.
Особенное свойство света — направленность светового пото-
ка — непосредственно связано как с линейными размерами источ-
ника света, так и с расстоянием от него до объекта съемки. Ори-
ентировочно эту зависимость можно представить следующим об-
разом: если линейные размеры излучающего свет тела близки или
равны расстоянию от источника до объекта съемки, то освещение
объекта носит мягкий, светотональный характер; если же линей-
ные размеры источника света в десятки раз меньше расстояния
от него до объекта съемки, то такое освещение можно считать на-
правленным.
У каждого фотографа возникает вопрос: «Каково же практиче-
ское значение такой зависимости?». Прежде всего исходя из при-
веденных данных легко определить размеры рефлекторов осве-
тительных ламп, необходимые для создания того или иного по ха-
рактеру освещения. Так, если необходимо осветить лицо человека
мягким рассеянным светом без четких, резких теней, то размеры
рефлектора осветительного прибора должны быть близки к рас-
стоянию между прибором и объектом съемки. Именно по этой при-
чине в специальных студиях и съемочных павильонах для создания
мягкого рассеянного освещения устанавливают осветители с пло-
щадью излучающей поверхности, превышающей 1... 2 м2. Обычные
софиты обеспечивают рассеянное освещение лишь на расстояниях
30...70 см; при большем удалении их от объекта съемки свет ста-
новится все более направленным, все более жестким. Особенно
хорошо заметна направленность светового потока ламп-вспышек,
площадь рефлекторов у которых не превышает 5... 10 см2.
В большой степени направленность светового потока зависит
от структуры отражающей поверхности рефлектора. Чем она бли-
52
же к зеркальной, тем меньше рассеивает свет, тем более направ-
ленным становится световой поток. Тесно связана направленность
светового потока с формой рефлектора: чем рефлектор глубже, тем
более узкий пучок света он позволяет получить. Эта взаимосвязь
при использовании обычных осветителей и ламп накаливания боль-
шей частью малозаметна. Однако при съемке аппаратами с корот-
кофокусными объективами и освещении объекта лампой-вспыш-
кой непосредственно от фотоаппарата узкий световой пучок мо-
жет стать причиной неравномерного экспонирования фотопленки
по поверхности кадра: центральная часть будет иметь нормальную
экспозицию, а края кадра будут недоэкспонированы.
Часто для смягчения светового потока от какого-либо освети-
тельного прибора на его пути непосредственно около осветителя
устанавливают светорассеиватель, представляющий собой метал-
лическое кольцо, на которое натянута марля или тюль. Этот способ,
к сожалению, малоэффективен, поэтому для получения мягкого
рассеянного освещения следует использовать в качестве вторич-
ного излучателя с большими линейными размерами белые экраны,
применяемые при просмотре диапозитивов или любительских ки-
нофильмов. В этом случае мощный источник света (галогенную лам-
пу большой мощности или лампу-вспышку) устанавливают на рас-
стоянии 60...90 см от подвешенного на штативе или стене экрана,
напротив его центра, и направляют световой поток лампы на экран.
Отразившийся от поверхности экрана свет создает мягкое рассеян-
ное освещение, особенно необходимое при портретной съемке.
Вместо экрана можно использовать достаточно большой по раз-
мерам (не меньше 60x60 см) отрез белой ткани или светлую стену.
Иногда для получения мягкого рассеянного освещения в комнате
или ином помещении свет мощной лампы направляют в потолок,
который при этом также является вторичным излучателем с боль-
шой поверхностью излучения.
Приведенные способы создания мягкого рассеянного освеще-
ния обладают одним недостатком — освещенность объекта съемки
по сравнению с освещенностью прямым светом падает в несколь-
ко раз, что объясняется как потерями света в процессе отражения
(до 50 %), так и увеличением расстояния от источника света до объ-
екта съемки. Именно поэтому эти способы требуют применения
мощных источников света.
Вместо экрана, стены или потолка в качестве отражателя мож-
но использовать зонт, обтянутый белой тканью. Для этого наиболее
пригоден плотный атласный шелк или другая достаточно плотная
ткань. Такой зонт в раскрытом состоянии укрепляют с помощью
53
струбцины на штативе. В непосредственной близости от ручки рас-
полагают и источник света. В сложенном состоянии они занимают
мало места, а в процессе съемки их легко устанавливают в нужном
месте помещения.
Получить пучок направленного света значительно легче. Для
этого достаточно на обычный фотоосветитель надеть склеенный
из плотной бумаги или тонкого картона длинный цилиндрический
тубус, диаметр которого равен диаметру рефлектора осветителя.
Длина тубуса определяется желаемой степенью направленности
световых лучей (для большинства встречающихся на практике слу-
чаев бывает достаточно длины 50... 60 см). Внутренняя поверхность
тубуса для предотвращения светорассеяния должна быть обклеена
черной бумагой. Можно использовать в качестве источника на-
правленного света и осветительную часть фотоувеличителя.
При фотографировании с осветительными приборами характер
каждого из возможных вариантов освещения выражен более явно,
чем при съемке в условиях естественного освещения, поскольку под
открытым небом его свет ощутимо смягчает контрасты светотени.
В большинстве случаев для рельефного воспроизведения форм
предметов применяют боковое или передне-боковое, верхнее осве-
щение направленным светом, который не только подчеркивает
трехмерность объекта, но и сохраняет при этом привычным наше-
му взгляду характер светораспределения, свойственный естествен-
ным световым условиям. В противоположность этому освещение
объекта направленным светом снизу практически не встречается
в природных условиях и поэтому воспринимается нами как не-
обычное, неестественное. Тени от объекта наименее заметны при
фронтальном освещении, а наиболее — заметны при задне-боко-
вом и контровом освещении.
Светотехника — область науки и техники, предметом которой
являются исследование принципов и разработка способов генери-
рования, пространственного перераспределения и измерения ха-
рактеристик оптического излучения, а также преобразование его
в различных целях. В нашей стране светотехника активно разви-
валась, когда были созданы собственная промышленность, научная
и проектная базы. Советская светотехническая школа внесла зна-
чительный вклад в прогресс мировой светотехники.
Главной же задачей современного светового оборудования явля-
ется создание комфортной световой среды для труда и отдыха че-
ловека, а также эффективное применение оптического излучения
в технологических процессах при рациональном использовании
электрической энергии.
54
2.3.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Освещение бывает естественным, искусственным и комбини-
рованным. Естественное освещение обусловлено прямыми сол-
нечными лучами и рассеянным светом небосвода. Оно меняется
в зависимости от географической широты, времени суток, степени
облачности, прозрачности атмосферы. По устройству различают
боковое, верхнее и комбинированное освещение.
Искусственное освещение создается искусственными источ-
никами света (галогенными, металлогалогенными, натриевыми
и т. д.). Применяется искусственное освещение при отсутствии или
недостатке естественного освещения. Рациональное искусственное
освещение должно обеспечивать нормальные условия для работы
при допустимом расходе средств, материалов и электроэнергии.
При недостаточном естественном освещении используется со-
вмещенное (комбинированное) освещение, при котором в светлое
время суток используется одновременно естественный и искус-
ственный свет.
В настоящее время электрическая энергия широко используется
как для искусственного освещения, так и для бытовых нужд. Раз-
личают две системы электрического освещения: общее и местное.
При первой системе вся необходимая площадь освещается общими
электрическими лампами; при второй — некоторые площади или
отдельные рабочие места освещаются специально предназначен-
ными для этого лампами. Например, в комнате электрическая лампа
на потолке создает общее освещение, а настольная электрическая
лампа создает дополнительное, местное освещение на поверхности
стола. Такое сочетание общего и местного освещения называется
комбинированным освещением.
Выбор той или другой системы освещения зависит от назначе-
ния помещения и характера выполняемых в нем работ.
В производственных помещениях системы освещения подраз-
деляются на два вида: рабочее и аварийное. Обычно бывают вклю-
чены оба вида освещения. Рабочее и аварийное освещение обе-
спечивают необходимую освещенность на рабочих поверхностях
помещений (столах, станках и т. п.). Аварийное освещение обеспе-
чивает при аварии в электроустановке необходимую освещенность
только на таких рабочих поверхностях, на которых не допускается
перерыва работы, а также освещение проходов, выходов, лестниц,
пожарных проездов и т. д. С этой целью рабочее и аварийное осве-
щение питают от различных источников, для того чтобы при ава-
55
рии с источником питания рабочего освещения сохранить аварий-
ное освещение.
2.4.
ПРАВИЛА И НОРМЫ ИСКУССТВЕННОГО
ОСВЕЩЕНИЯ
Строительные нормы и правила СНиП 23-05-95 «Естественное
и искусственное освещение» — это документ, разработанный в со-
ответствии с общей системой нормативных документов в строи-
тельстве. Документ, утвержденный Постановлением Минстроя
России от 02.08.1995 № 18-78, устанавливает нормы естественного,
искусственного и совмещенного освещения зданий и сооружений,
а также нормы искусственного освещения площадок предприятий
и мест производства работ вне зданий.
Настоящие нормы распространяются на проектирование осве-
щения помещений вновь строящихся и реконструируемых зданий
и сооружений различного назначения, мест производства работ вне
зданий, площадок промышленных и сельскохозяйственных пред-
приятий, железнодорожных путей, площадок предприятий, наруж-
ного освещения городов, поселков и сельских населенных пунктов.
Проектирование устройств местного освещения, поставляемых
комплектно со станками, машинами и производственной мебелью,
следует также осуществлять в соответствии с настоящими нормами.
На основе настоящих норм разрабатываются отраслевые нормы
освещения, учитывающие специфические особенности технологи-
ческого процесса и строительных решений зданий и сооружений
отрасли, которые согласовываются и утверждаются в установлен-
ном порядке.
В общих положениях СНиП 23-05-95 нормируемые значения
освещенности приводятся в точках ее минимального значения на ра-
бочей поверхности внутри помещений для разрядных источников
света, кроме оговоренных случаев; для наружного освещения — для
любых источниковсвета. Нормируемые значения яркости дорожных
покрытий приводятся для любых источников света. Нормированные
значения освещенности, яркости поверхности приводятся в табли-
цах. Для естественного освещения в настоящих нормах приведены
значения коэффициента естественной освещенности (КЕО).
Коэффициент запаса К, при проектировании естественного, ис-
кусственного и совмещенного освещения следует принимать по та-
блице, учитывая требования к ультрафиолетовому облучению со-
гласно действующим санитарным нормам.
56
Помещения с постоянным пребыванием людей должны иметь,
как правило, естественное освещение. Естественное освещение
подразделяется на боковое, верхнее и комбинированное.
Искусственное освещение подразделяется на рабочее, аварий-
ное, охранное и дежурное. Аварийное освещение подразделяется
на освещение безопасности и эвакуационное. Для общего искус-
ственного освещения помещений следует использовать, как прави-
ло, разрядные источники света.
Искусственное освещение может быть двух систем: общее осве-
щение и комбинированное освещение.
Рабочее освещение следует предусматривать для всех помеще-
ний зданий, а также для участков открытых пространств, предна-
значенных для работы, прохода людей и движения транспорта.
Необходимо раздельное управление освещением таких зон, как
осветительное оборудование жилых и гражданских зданий, про-
мышленных и коммунальных предприятий.
2.4.1. Общие указания по расчету освещения
При выполнении освещения жилых и гражданских зданий, про-
мышленных и коммунальных предприятий целесообразно начи-
нать с осветительного оборудования. При этом решаются следую-
щие вопросы: выбор системы и вида освещения, выбор освещен-
ности и коэффициента запаса, вопросы качества осветительных
установок, выбор источников света и светильников, размещение
осветительных приборов. При этом необходимо учитывать условия
электро- и пожарной безопасности и экономичности, удобства экс-
плуатации и благоприятный внешний вид, возможность выполне-
ния монтажа индустриальным методом.
В помещениях устанавливают общее равномерное или локали-
зованное освещение и комбинированное освещение, состоящее
из общего и местного.
Общее равномерное освещение. Его рекомендуется выполнять
в помещениях с большой плотностью рабочих мест при выполне-
нии однотипных работ по всей площади; в помещениях, где не тре-
буется большая точность работ (для промышленных предприятий
начиная с V разряда работ и выше, для общественных зданий на-
чиная с III разряда работ и выше); при отсутствии жестких требова-
ний к направлению света.
Локализованное освещение. Его необходимо выполнять в поме-
щениях со стационарным крупным оборудованием (торговые залы
магазинов, архивы, книгохранилища, крупные насосные и ком-
57
прессорные станции и др.); выставочных помещениях с постоян-
но фиксированными плоскостями экспозиции; помещениях, в ко-
торых рабочие места расположены группами, сосредоточенными
на отдельных участках (пошивочные и ремонтные мастерские, кон-
структорские отделы с кульманами и др.); помещениях, где на раз-
ных участках выполняются работы различной точности, требую-
щие разных уровней освещения (разметочные столы и т. д.).
Комбинированное освещение. Его рекомендуется выполнять
в производственных помещениях общественных зданий с разряда-
ми I и II (например, граверные работы, ремонт часов, радиоаппара-
туры и др.); производственных помещениях, рабочие поверхности
которых расположены вертикально или наклонно, с разрядами ра-
бот I... IV (за исключением тех случаев, когда выполнение местного
освещения невозможно по техническим соображениям); помеще-
ниях с оборудованием, создающим резкие и глубокие тени на рабо-
чих поверхностях, при устройстве одного общего освещения. Све-
тильники местного освещения должны создавать световой поток,
падающий на рабочую поверхность под углом 60° к ее нормали.
Способы освещения помещений с повышенными требования-
ми к оформлению интерьера, таких как конференц-залы, актовые
и выставочные залы, торговые и обеденные залы, холлы, должны
выбираться с учетом архитектурных и художественно-конструк-
тивных особенностей.
Рабочее и аварийное освещение. Для освещения помещений
предусматриваются следующие виды освещения: рабочее (в том
числе дежурное) и аварийное (для продолжения работы или для
эвакуации). Рабочее освещение выполняют во всех помещениях.
Аварийное освещение применяют для продолжения работы. Его
устанавливают в помещениях диспетчерских, операторских, узлов
связи, электрощитовых, насосных, здравпунктов, аккумуляторных,
бойлерных, дежурных пожарных постов, главных касс, детских
комнат, крупных магазинов и на постах постоянной охраны. Наи-
меньшая освещенность рабочих поверхностей при этом должна со-
ставлять 5% освещенности, нормируемой для рабочего освещения
при системе общего освещения, но не менее 2 лк. В операционных
лечебных учреждений освещенность операционного поля должна
быть не менее 200 лк.
Аварийное освещение для эвакуации устраивают:
в любых производственных помещениях и общественных зда-
ниях, имеющих более пяти этажей;
плавательных бассейнах, спортивных и актовых залах, мастер-
ских производственного обучения, обеденных залах, гардероб-
58
ных, проходных помещениях и на лестницах общеобразователь-
ных школ и других учебных заведений, в здравпунктах в группо-
вых, игральных-столовых, приемных, раздевальных, коридорах
и на лестничных клетках, а также на кухнях независимо от числа
лиц, пребывающих в указанных зданиях;
проходных помещениях и на лестницах общественных зданий,
где одновременно могут находиться 50 человек, и в помещениях,
где одновременно могут находиться более 100 человек;
торговых залах и на путях выхода из них, магазинах с торговы-
ми залами общей площадью более 90 м2, во всех торговых залах
магазинов с самообслуживанием, в транспортных тоннелях тор-
говых предприятий;
помещениях с постоянно работающими в них людьми, где мо-
жет возникнуть опасность травматизма, если освещение по-
гаснет.
Аварийное освещение для эвакуации должно обеспечивать
на полу основных проходов и на ступенях лестниц наименьшую
освещенность 0,5 лк; освещенность поверхности воды ванн и бас-
сейнов для плавания должна быть не менее 5 лк. Выходы из по-
мещений, где одновременно могут пребывать более 100 человек,
а также из магазинов с торговыми залами общей площадью более
180 м2 и магазинов самообслуживания площадью более 110м2 долж-
ны иметь световые указатели, присоединенные к сети аварийного
освещения.
Для дежурного освещения вестибюлей, коридоров, конференц-
залов и торговых залов выделяют часть светильников, предна-
значенных для рабочего освещения, или используют светильни-
ки аварийного освещения. Для дежурного (ночного) освещения
спальных помещений, помещений для заболевших детей, а также
в палатах-изоляторах детских яслей, садов и школ-интернатов сле-
дует применять специальные светильники со стеклом синего цвета
и экранирующей решеткой, присоединенные к сети аварийного
освещения.
При установке этих светильников (вблизи от выходов) на высоте*,
доступной для детей, должно применяться напряжение не более 42 В,
Выходы из здания, номерные знаки и указатели гидрантов долж-
ны освещаться светильниками, присоединенными к сети внутргп-
него освещения.
Освещение витрин и реклам должно выполняться в соотвгт-
ствии с Указаниями по проектированию освещения территорий
учреждений культурно-бытового обслуживания населении, наруж-
ного архитектурного освещения и освещения витрин,
59
Освещенность и коэффициент запаса. По СНиПу установлена
следующая шкала освещенности:
0,2 — 0,3 — 0.5—1—2—3^-5-10 — 20 — 30 ^50 — 75—100 —
150—200—300—400—500—600 — 750— 1 000— 1 250— 1 500 —
2 000 — 3 000 — 4000 — 5000 — 6 000 — 7 500 лк.
Нормы освещенности помещений общественных зданий при
системе общего освещения приведены в табл. 2.2.
При использовании источников света, отличающихся от источ-
ников, рекомендуемых СНиП, необходимо учитывать, что нормиру-
емая освещенность, например, для ламп накаливания должна быть
понижена на две ступени, и наоборот. Номинальная освещенность
для помещений, в которых общее освещение выполняется лампа-
ми накаливания и люминесцентными лампами, должна выбирать-
ся как для люминесцентных ламп. При выборе освещенности для
учебно-производственных помещений колледжей нормы следует
повышать на одну ступень, если они составляют менее 300 лк при
люминесцентных лампах и менее 150 лк при лампах накаливания.
Если в помещениях отсутствует естественное освещение или оно
явно недостаточно, а работающий персонал пребывает в помеще-
ниях постоянно, то нормы освещения также завышают на одну сту-
пень.
Таблица Э.2, Нормы освещенности помещений общественных зданий
Типы помещений Освещенность по нормам (лк)
российским (СНиП 23-05-95) международным (МКО)
Офисы общего назначения с ис- пользованием компьютеров 200... 300 500
Офисы большой площади со сво- бодной планировкой 400 750
Офисы с чертежными работами 500 1 000
Конференц-залы 200 300
Лестницы, эскалаторы 50... 100 150
Коридоры, холлы 50...75 100
Архивы 75 200
Кладовые 50 100
60
Для помещений с общим локализованным освещением наи-
меньшая освещенность проходов и участков, на которых не произ-
водится работа, должна быть не менее 25 % общей освещенности,
но в любом случае она должна составлять не менее 50 лк при люми-
несцентных лампах и 30 лк при лампах накаливания. Средняя го-
ризонтальная освещенность (на уровне 0,8 м от пола) для номеров
гостиниц и спальных помещений в школах-интернатах, детских
яслях-садах от всех светильников должна быть не менее 75 лк при
люминесцентных лампах и 30 лк при лампах накаливания.
Коэффициент запаса следует принимать равным 1,5 для све-
тильников с люминесцентными лампами и 1,3 — для светильников
с лампами накаливания. Если освещение выполняется карнизами,
то коэффициент запаса равен 1,8 и 1,5, за исключением случаев ис-
пользования зеркальных ламп, для которых коэффициент запаса
принимают равным 1,3.
Нормы освещенности административных зданий, магазинов,
образовательных учреждений и коммунальных предприятий при-
ведены в табл. 2.3.
Таблица 2.3. Нормы освещенности административных здании, 1 магазинов, образовательных учреждений и коммунальных предприятий
Наименование зданий и помещений Освещенность рабочих поверхностей, лк Цилин- дрическая освещен- ность, лк
при комби- нированном освещении при одном общем освещении
Административные здания, проектные и научно-исследовательские организации
Офисы и другие рабочие комнаты 400*7200** 300 —
Проектные, конструкторские и чертежные бюро 600*7400** 500 —
Читальные залы 400/200** 300 100
Помещения с ПК, дисплейные залы 750/300** 400 —
Конференц-залы, залы за- седаний — 200 75
Лаборатории 750V300** 300 —-
61
Продолжение табл. 2.3
Наименование зданий и помещений Освещенность рабочих поверхностей, лк Цилин- дрическая освещен- ность, лк
при комби- нированном освещении при одном общем освещении
Финансовые учреждения, организации кредитования и страхования
Операционные залы, кассо- вые помещения 400V200** 300 —
Инкассаторная — 300 —
Школы, средние и высшие учебные заведения
Классные комнаты, ауди- тории, учебные кабинеты, лаборатории — 500(вертикальная на середине доски)
— 300 (горизонтальная на столах и партах)
Кабинеты и комнаты препо- давателей — 200
Спортзалы — 200
Рекреации — 150
Детские дошкольные учреждения
Приемные, раздевальные групповые комнаты, играль- ные комнаты, столовые — 200
Спальные комнаты — 75
Санатории, дома отдыха
Палаты и спальные комна ты — 150
Зрелищные здания
Зрительные залы для меро* приятий республиканского значения — 500*** 150
Зрительные залы театров, концертные залы — 300*** 100
Зрительные залы клубов, фойе театров — 200*** 75
62
Продолжение табл. 2.3
Наименование зданий и помещений Освещенность рабочих поверхностей, лк Цилин- дрическая освещен- ность, лк
при комби- нированном освещении при одном общем освещении
Выставочные залы — 200*** 75
Фойе кинотеатров, клубов — 150 50
Магазины
Торговые залы: продовольственных мага- зинов магазинов одежды, белья, обуви, тканей, меховых изделий, головных уборов, парфюмерных, ювелирных посудных, мебельных, спорттоваров — 400 700 500 100 100 75
Примерочные кабины — 300 (вертикальная на уровне 1,5 м от пола)
Гостиницы
Бюро обслуживания — 200
Гостиные — 150
Номера — 100
Вспомогательные здания и помещения
Санитар но-бытовые помеще- ния: умывальные, уборные, курительные душевые, гардеробные — 75 50
Вестибюли и гардеробные верхней одежды: в школах, вузах, театрах, клубах, гостиницах и глав- ных входах в крупные про- мышленные и обществен- ные здания; — 150
63
Окончание табл, 2.3
Наименование зданий и помещений Освещенность рабочих поверхностей, лк Цилин- дрическая освещен- ность, лк
при комби- нированном освещении при одном общем освещении
в прочих промышленных, вспомогательных и обще- ственных зданиях — 75
Лестницы:
главные лестничные клетки общественных и производ- ственных зданий — 100 —
лестницы жилых домов — 10 —
остальные лестницы — 50 —
Коридоры и проходы:
главные — 75 —-
поэтажные в жилых домах — 20 —
остальные коридоры —- 50 —
* Горизонтальная освещенность на уровне 0,8 м от пола при совместном дей-
ствии общего и местного освещения.
" Горизонтальная освещенность на уровне 0,8 м от пола при совместном
действии общего освещения.
При использовании ламп накаливания уровень нормируемый.
При пользовании табл. 2.3 следует учитывать, что во всех поме-
щениях, за исключением указанных в таблице, освещенность дает-
ся при системе общего освещения, включая помещения, имеющие
одиночные рабочие места с местным освещением.
Качество освещения. В СНиП приводятся качественные показа-
тели осветительных установок (показатели ослепленности Р и дис-
комфорта М, коэффициент пульсации Кп, цилиндрическая осве-
щенность Ец).
Показатель дискомфорта и цилиндрическую освещенность
определяют у торцовой стены на центральной продольной оси по-
мещений на высоте 1,5 м от пола. Показатель дискомфорта не опре-
деляют для помещений, длина которых не превышает двойной вы-
соты установки светильников над полом, для помещений, предна-
64
значенных для кратковременного пребывания людей или прохода,
а также для гардеробных, коридоров, санитарных узлов, лестниц
и кладовых, В помещениях для конторских, проектных, чертежных,
конструкторских, копировальных, лабораторных, вычислительных
и машинописных работ должны применяться светильники, на-
правляющие в верхнюю полусферу не менее 15 % излучаемого ими
светового потока. Если это условие не выполняется, то необходи-
мо, чтобы коэффициенты отражения потолка были не менее 70%,
пола — 30 %, стен — 50 %.
Источники света. Рекомендуемые источники света указаны
в СНиПе. Лампы накаливания применяют во вспомогательных по-
мещениях, помещениях с сезонной работой, для аварийного осве-
щения, если невозможно использовать люминесцентные лампы.
Освещение помещений общественных зданий, если нет специаль-
ных требований к цветопередаче, выполняют люминесцентными
лампами типа ЛБ: освещение выставочных помещений и кабине-
тов изобразительного искусства в общеобразовательных школах,
мастерских по изготовлению и ремонту одежды, головных уборов
и других — лампами типов ЛХБ, ЛХБЦ и ЛДЦ; освещение торговых
залов с мясными, рыбными и гастрономическими товарами — лам-
пами типов ЛБ и ЛТБЦ; освещение помещений здравпунктов, пред-
назначенных для осмотра больных, — лампами типов ЛДЦ и ЛХБЦ;
освещение обеденных залов, залов заседаний и актовых залов —
лампами типов ЛБ и ЛТБЦ, а для остальных помещений — лампами
типа ЛБ.
Выбор светильников. Вопросы, связанные с выбором светиль-
ников общего и комбинированного освещения должны решаться
с учетом характеристики по условиям окружающей среды.
2.4.2. Порядок расчета искусственного
освещения
Расчет искусственного освещения в помещении осуществляют
в следующей последовательности:
1) выбор типа источника света. В зависимости от конкретных
условий в производственном, торговом или выставочном помеще-
нии (температура воздуха, особенности технологического процесса
и его требований к освещению), а также светотехнических, элек-
трических и других характеристик, выбирается нужный тип источ-
ника света;
2) выбор системы освещения. При однородных рабочих местах,
равномерном размещении оборудования в помещении использует-
65
ся общее заливающее освещение. Если оборудование громоздкое,
рабочие места с разными требованиями к освещению расположе-
ны неравномерно, то используется локализованная система осве-
щения. При высокой точности выполняемых работ, наличии требо-
ваний к направленности освещения применяется комбинирован-
ная система (сочетания общего и местного освещения);
3) выбор типа светильников. С учетом потребного распределе-
ния силы света, загрязненности воздуха, пожаровзрывоопасности
в помещении подбирается арматура;
4) размещение светильников в помещении. Подвесные светиль-
ники можно располагать на потолочном перекрытии в шахматном
порядке, по вершинам квадратных полей, рядами. Светильники
с люминесцентными лампами располагаются рядами. При выборе
схемы размещения светильников необходимо учитывать энерге-
тические, экономические, светотехнические характеристики схем
размещения. Так, высота подвеса Л и расстояние между светильни-
ками I связаны с экономическим показателем схемы размещения
Хэ зависимостью
= -^. (2.13)
С помощью справочных таблиц выбирается целесообразная
схема размещения светильников. На основании принятой схемы
размещения светильников определяется их количество;
5) определение необходимой освещенности рабочих мест. Нор-
мирование освещенности осуществляется в соответствии со СНиП
23-05-95;
6) расчет характеристик источника света.
Для расчета общего равномерного освещения применяется ме-
тод коэффициента использования светового потока, а расчет осве-
щенности общего локализованного и местного освещения произ-
водится с помощью точечного метода.
Для расчета освещенности помещений можно использовать ме-
тоды — расчеты на листе бумаги или пользоваться специальными
электронными программами.
Светотехнический метод коэффициента использования свето-
вого потока целесообразно использовать в тех случаях, когда тре-
буется запроектировать общее равномерное освещение производ-
ственных, административных, вспомогательно-бытовых и других
помещений.
При расчете освещения лампами накаливания или ДРЛ расчет-
ный световой поток лампы светильника
66
ESK3z
Nu
(2.14)
где E — нормированное значение освещенности, лк; S — площадь
помещения, м2; К, — коэффициент запаса, выбранный по таблице;
z — коэффициент, представляющий собой отношение средней
освещенности к минимальной; N— число светильников; и — коэф-
фициент использования светового потока.
Число светильников определяют по формуле
где/.— расстояние между светильниками или рядами, м; Нрасч— рас-
четная высота подвеса светильника над рабочей поверхностью, м.
При освещении лампами накаливания и лампами ДРЛ z =
- 1,15... 1,2, а при освещении рядами люминесцентных ламп z = 1,1.
Коэффициент и определяют по таблице в зависимости от типа све-
тильника индекса помещения г.
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТОВ
ОСВЕЩЕНИЯ
При расчете освещения осветительной установки определяют
число и мощность источников света, необходимых для создания
нормированной освещенности на освещаемой поверхности, или
фактическую освещенность в любой точке поверхности от установ-
ленных источников света. Рассмотрим основные методы расчета.
2.5.1. Расчет освещения методом
коэффициента использования светового
потока
Для помещений, в которых предусматривается общее равно-
мерное освещение горизонтальных поверхностей, освещение рас-
считывают методом коэффициента использования светового пото-
ка. По этому методу расчетную освещенность на горизонтальной
поверхности определяют с учетом светового потока, падающего
от светильников непосредственно на поверхность и отраженного
от стен, потолка и самой поверхности. Так как этот метод учиты-
вает и долю освещенности, создаваемую отраженным световым
потоком, его применяют для расчета освещения помещений, где
67
отраженный световой поток играет существенную роль, т.е. для
помещений со светлыми стенами и потолками при светильниках
рассеянного, отраженного и преимущественно отраженного света.
Метод коэффициента использования применим для расчета осве-
щения помещений светильниками с лампами накаливания и с лю-
минесцентными лампами.
Отношение светового потока, падающего на горизонтальную
поверхность, к суммарному потоку всех ламп, размещенных в дан-
ном освещаемом помещении, называется коэффициентом исполь-
зования светового потока осветительной установки:
Фп + Фотр = ФР
П N<Da ’
(2.15)
где Фп — световой поток, падающий от светильников непосред-
ственно на освещаемую поверхность, лм; Фотр — отраженный све-
товой поток, падающий на ту же освещаемую поверхность, лм;
Фр — результирующий световой поток, лм; Фл — световой поток
каждой лампы, лм; N — число ламп в освещаемом помещении.
Значение коэффициента использования всегда меньше едини-
цы, так как NФЛ всегда больше Фр, Объясняется это тем, что не весь
световой поток, излучаемый лампами, падает на освещаемую по-
верхность; некоторая его часть поглощается осветительной армату-
рой, стенами и потолком.
На коэффициент использования влияют следующие факторы:
1) тип и КПД светильника. Чем больше выбранный светильник
направляет световой поток непосредственно на освещаемую по-
верхность Фп, тем больше коэффициент использования. Чем выше
КПД светильника, тем меньше потери в нем, следовательно, боль-
ше коэффициент использования;
2) геометрические размеры помещения. Чем больше освещае-
мая поверхность по сравнению с отражающими, тем выше коэф-
фициент использования;
3) высота подвеса светильника над освещаемой поверхностью.
Чем выше подвешены светильники над освещаемой поверхностью,
тем больше светового потока поглощается стенами и потолком, сле-
довательно, коэффициент использования уменьшается;
4) окраска стен и потолка. Чем светлее окраска стен и потолка,
тем выше коэффициент отражения и Фотр возрастает, а следова-
тельно, возрастает и коэффициент использования.
Влияние геометрических размеров помещения на коэффициент
использования характеризуется показателем (индексом) помеще-
ния z, определяемым для прямоугольных помещений по формуле
68
АБ S
1 ~ Л(А + Б) “ Л(А + Б)'
(2-16)
где А и Б — длина и ширина помещения, м2; h — высота подвеса све-
тильника над рабочей поверхностью, м; S — площадь помеще-
2
НИЯ, М .
Средняя освещенность горизонтальной поверхности
Erf-^
ср s
S
Следовательно,
£CDS п „
Фл (2.17)
Действующими нормами искусственного освещения нормиру-
ются не средние, а минимальные освещенности (средняя освещен-
ность £ср всегда больше минимальной Emjn). Учитывая, что световой
поток, падающий на освещаемую поверхность, распределяется не-
равномерно, в формулу (2.17) вводят поправочный коэффициент
Е
z = -^>l; Fcp=Eminz. (2.18)
Г
min
Если расстояние между светильниками близко к наиболее вы-
годному, то можно с достаточной точностью принимать z для ламп
накаливания и люминесцентных ламп.
В формулу (2.17) необходимо вводить коэффициент запаса Лзап,
учитывающий снижение освещенности в период эксплуатации
осветительной установки.
С учетом коэффициентов Кчап и z получим основное расчетное
уравнение метода коэффициента использования:
Е ЯК z
Nt]
По значению Фл в зависимости от напряжения сети выбирают
стандартную лампу с ближайшим значением светового потока (для
ламп накаливания). При освещении помещения люминесцентными
лампами по известному потоку лампы Фл по формуле (2.19) опреде-
ляют количество ламп.
Значения коэффициентов использования светового потока
определяют по таблицам, приведенным в электротехнических
справочниках для отдельных типов светильников. Промышленно-
стью постоянно увеличивается номенклатура выпускаемых све-
тильников с люминесцентными лампами плафонного и подвесного
69
типов, а составление таблиц значений коэффициентов использова-
ния светового потока осветительной установки с применением лю-
бого типа светильника затруднительно, поэтому были разработаны
таблицы усредненных значений коэффициентов использования
светового потока для групп светильников со сходными светотехни-
ческими характеристиками. Наибольшая часть выпускаемых све-
тильников с люминесцентными лампами объединена в 26 групп.
(2.20)
2.5.2. Приближенный метод расчета
по удельной мощности
Удельной мощностью Руд, Вт/м2, называется отношение суммар-
ной мощности всех ламп, установленных в данном помещении,
к площади освещаемой поверхности (пола):
Р = Ш
ул S
В проектной практике широко применяется метод удельной мощ-
ности, позволяющий без выполнения светотехнических расчетов
определять мощность всех ламп общего равномерного освещения,
требуемого в данном помещении. Кроме того, метод удельной мощ-
ности применяется для приблизительной оценки правильности про-
изведенного светотехнического расчета осветительной установки.
В основу расчета по удельной мощности положен метод коэф-
фициента использования. Световая отдача лампы со, лм/Вт, опреде-
ляется по формуле
Следовательно,
(2.21)
л = РЛШ =--L—------.
Nr)
Решив это уравнение относительно УРЛ и разделив обе части
уравнения на площадь S, получим
МРД _ Рнорма ми 2 __ _
“F“ ул‘
Из формулы (2.21) видно, что удельная мощность является функ-
цией переменных величин, входящих в формулу расчета по мето-
ду коэффициента использования. На основании светотехнических
расчетов, выполненных этим методом, составлены таблицы удель-
ной мощности при равномерном размещении стандартных све-
70
тильников общего освещения. Значения освещенности и удельной
мощности прямо пропорциональны.
Расчет методом удельной мощности осуществляется в следую-
щей последовательности. Для освещаемого помещения выбирают
тип светильника и расчетную высоту его подвеса. При светильни-
ках с лампами накаливания намечают наиболее выгодное число
светильников NCB; в зависимости от нормируемой освещенности
Енорм, площади освещаемого помещения S, расчетной высоты под-
веса Лрасч и коэффициентов отражений по соответствующей табли-
це находят удельную мощность Рул, определяют суммарную уста-
Р ст
новленную мощность ламп и мощность одной лампы (Рл = ——),
^г.п
При светильниках с люминесцентными лампами порядок рас-
чета немного изменяется, так как заранее известна мощность ламп
в каждом светильнике. Поэтому после определения осветительной
р ст
установки (Руст = PyCTS) определяют число светильников: = уС1--,
Й/Рд
где N— число ламп в светильнике.
2.5,3. Расчет освещения точечным методом
Точечный метод в отличие от метода коэффициента использова-
ния позволяет определить освещенность любой точки на рабочей
поверхности, как угодно расположенной в пространстве (напри-
мер, горизонтально, вертикально или наклонно). Расчет освещения
точечным методом производят в случаях, когда невозможно приме-
нить метод коэффициента использования (например, расчет лока-
лизованного или наружного освещения, освещения наклонных или
вертикальных поверхностей).
Точечный метод также часто применяют в качестве проверочно-
го расчета, когда необходимо оценить фактическое распределение
освещенности на освещаемой поверхности. Точечный метод имеет
существенный недостаток — не учитывает освещенность, создавае-
мую световым потоком, отраженным от стен и потолков, вследствие
чего освещенность получается немного заниженной. Поэтому то-
чечный метод можно применять для расчета освещения помещений,
в которых отраженный световой поток составляет незначительную
долю по сравнению со световым потоком, падающим непосредствен-
но на освещаемую поверхность (например, производственных по-
мещений с низкими коэффициентами отражения стен и потолков).
Точечный метод для расчета освещения помещений обществен-
ных зданий применяется редко.
71
2.5.4. Точечный метод расчета освещения
люминесцентными лампами
В большинстве случаев светильники с люминесцентными лам-
пами располагают в помещении под потолком параллельными ря-
дами; при этом их соединяют либо в сплошную линию, либо с не-
большими разрывами. Если отношение расстояния между светиль-
никами в ряду к расчетной высоте их подвеса h не превышает 0,5,
т. е. Х/Л < 0,5, то можно считать, что световой поток распределяется
на освещаемой поверхности вдоль ряда равномерно и его можно
рассматривать как светящуюся линию.
Так как протяженность светящейся линии соизмерима с рас-
стоянием до освещаемой поверхности, формулы точечного метода,
выведенные для точечных источников света (лампы накаливания
и ДРЛ), в обычном виде для расчета освещения от светящейся ли-
нии с люминесцентными лампами неприменимы.
2.Б.
СХЕМЫ ПИТАНИЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ
УСТАНОВОК
Расчет сети электрического освещения. При проектировании
сети электрического освещения следует руководствоваться следу-
ющими основными положениями. От щита низкого напряжения 1
(рис. 2.10) заводской или цеховой подстанции прокладывается само-
стоятельная четырехпроводная
питающая сеть 2 до распреде-
лительного щита 3 электроосве-
щения, установленного в цехе.
От указанного щита через рас-
пределительную сеть 4 питаются
щитки 5, к которым подключа-
ются отдельные группы светиль-
ников через групповую сеть.
Рис. 2.10. Элементы сети электри-
ческого освещения:
1 — щит низкого напряжения; 2 — пи-
тающая сеть; 3 — распределительный
щит электроосвещения; 4 — распреде-
лительная сеть; 5 — щитки
72
В качестве распределительных щитов могут применяться шка-
фы серий СП62, СПУ62, а также ПРБ-П9 с блоками,
В небольших помещениях возможно совмещение распредели-
тельного щита с групповыми щитками. В качестве групповых щит-
ков могут применяться осветительные щитки типов ЩОА, ЩО,
ОПВ и ОЩВ с автоматами АП, АБ и А3161. Групповые щитки уста-
навливаются в местах, удобных для обслуживания; при этом ради-
ус действия щитков с однофазными линиями считается в пределах
20... 30 м, с трехфазными линиями — 6080 м. Предельная нагрузка
на групповые линии — 20 А при числе светильников не более 20.
Простейшие схемы электрического освещения. Далее рассмо-
трены простейшие схемы электрического освещения, применяе-
мые в осветительных электроустановках. На рис. 2.11 приведены
схемы включения и выключения ламп при помощи изготавливае-
мых промышленностью выключателей и переключателей. Пользу-
ясь схемами, легко однолинейную схему проводки в цехе превра-
тить в многолинейную с действительным количеством проводов
(или жил) на каждом участке электропроводки.
Рис. 2.11. Простейшие схемы освещения с электрическими лампами на-
каливания:
а — один выключатель; б — выключатель из двух мест
б
73
Рис. 2.12. Схема питания освети-
тельной установки от одной одно-
трансформаторной подстанции:
7 — трансформаторная подстанция;
2 — силовая нагрузка; 3 — рабочее
освещение; 4 — аварийное освещение
При наличии на объекте одной
однотрансформаторной подстан-
ции (рис. 2.12} питание различ-
ных нагрузок (силовых, рабочего
и аварийного освещения) реко-
мендуется производить самосто-
ятельными питающими линия-
ми от шин низшего напряжения
трансформаторной подстанции
(ТП). В этом случае погасание все-
го освещения возможно лишь при
выходе из строя трансформатора,
что практически бывает редко.
Допускается питание сило-
вых и осветительных нагрузок
небольших малоответственных
зданий одной линией от транс-
форматорной подстанции. При
этом разделение сетей силовых
нагрузок, рабочего и аварийного освещения обязательно и должно
начинаться от ввода в здание.
На рис, 2.13 изображена схема питания осветительной уста-
новки при наличии на объекте двух однотрансформаторных под-
станций. В этом случае питание рабочего и аварийного освещения
Рис. 2.13. Схема питания осветительной установки от двух однотранс-
форматорных подстанций:
7 — трансформаторная подстанция; 2 — силовая нагрузка; 3 — рабочее освещение;
4 — аварийное освещение
74
зданий (или участков одного здания), как правило, осуществляется
от разных подстанций. Такая схема надежнее предыдущей, так как
при выходе из строя одного трансформатора продолжает работать
один из видов освещения, питающийся от другой подстанции.
Если трансформаторы получают независимое питание, то обе
трансформаторные подстанции рассматриваются как независи-
мые источники питания. Питание от двух трансформаторных под-
станций позволяет улучшить качество освещения путем выбора для
питания рабочего освещения той из них, напряжение на шинах ко-
торой более постоянно.
Шины низшего напряжения двухтрансформаторных ТП под-
разделяются на две секции по числу трансформаторов. Между сек-
циями устанавливается секционный выключатель, позволяющий
соединить обе секции в одну. Рабочее и аварийное освещения пита-
ются от разных секций. Если трансформаторы ТП питаются от раз-
ных генераторов электростанции, то они являются независимыми
источниками.
При аварии с одним трансформатором двухтрансформаторной
подстанции он автоматически отключается и одновременно замы-
кается секционный выключатель — происходит автоматическое
включение резерва, тогда обе секции остаются под напряжением,
получая питание от одного трансформатора, работающего с пере-
грузкой. При этом и рабочее, и аварийное освещения остаются
включенными.
На ряде промышленных предприятий применяется питание
электрических нагрузок по схеме блока трансформатор—маги-
страль (рис. 2.14). При такой схеме шины щитов низшего напряже-
ния однотрансформаторных ТП, размещаемых в цехе, как бы удли-
няются, образуя протяженные мощные питающие линии — глав-
ные магистрали (конструктивно выполняемые в виде магистраль-
ных шинопроводов). Между главными магистралями двух соседних
трансформаторных подстанций устанавливаются разъединители,
играющие роль секционных выключателей схемы двухтрансфор-
маторной ТП. От главной магистрали отходят вторичные магистра-
ли меньшего сечения (распределительные шинопроводы).
На щитах низшего напряжения трансформаторной подстанции
сохраняется небольшое количество линейных выключателей, один
из которых может использоваться для питания рабочего освеще-
ния, прилегающего к трансформаторной подстанции участка цеха.
Аварийное освещение того же участка цеха может быть подклю-
чено к вторичной магистрали соседней трансформаторной под-
станции.
75
Рис. 2.14. Схема питания осветительной установки по схеме блока транс-
форматор —магистраль:
1 — трансформаторная подстанция; 2 — главная магистраль; 3 — разъединитель
на перемычке между главными магистралями; 4 — вторичные магистрали; 5 - си-
ловая нагрузка; 6 — рабочее освещение; 7 — аварийное освещение
Недостатком такой схемы является худшее качество напряже-
ния, подаваемого на щиток аварийного освещения (большие ко-
лебания, вызванные пуском электродвигателей, и большие потери
напряжения в питающих сетях). Если соседние трансформаторы
получают питание от разных генераторов электростанции, то они
являются независимыми источниками, тогда схема будет обладать
высокой надежностью.
Групповые щитки рабочего и аварийного освещения при-
соединяются непосредственно к питающим линиям, отходящим
от трансформаторных подстанций. На практике часто приходится
устанавливать промежуточные магистральные щитки (МИД). Не-
обходимость установки магистральных щитков вызывается стрем-
лением уменьшить сечения питающих линий, создать возможность
отключения отдельных линий для ремонта и сократить количество
линий, отходящих от щита низшего напряжения.
Аварийное погасание освещения приносит материальный
ущерб, вызываемый уменьшением выпуска продукции, а иногда
и порчей оборудования и исходных материалов. В отдельных слу-
чаях это усугубляется опасностью возникновения пожара, взрыва,
одиночного и даже массового травматизма, которые могут явиться
следствием непроизвольных или неправильных действий персона-
ла в темноте. Поэтому вопросу надежности питания осветительных
установок уделяется большое внимание.
76
Согласно требованиям ПУЭ светильники аварийного освеще-
ния для продолжения работы должны быть присоединены к неза-
висимому источнику питания, т. е. к источнику питания, на котором
сохраняется напряжение при исчезновении его на других источни-
ках данного объекта.
Независимыми источниками питания являются, например,
две секции сборных шин трансформаторной подстанции, каждая
из которых получает питание от трансформатора, в свою очередь,
питаемого от независимого источника (например, трансформаторы
присоединяются к разным генераторам электростанции). При этом
секции сборных шин подстанции не должны быть связаны между
собой либо связь между ними должна автоматически прерываться
при нарушении нормальной работы одной из них.
Независимыми источниками питания являются также аккуму-
ляторные батареи и дизель-генераторы. Эти источники электро-
энергии используются для питания аварийного освещения в тех
случаях, когда нет иных, более экономичных, способов обеспече-
ния независимого питания.
Допускается питание светильников аварийного освещения
от сети рабочего освещения с автоматическим переключением
на питание от независимого источника в случае аварийного пога-
сания рабочего освещения. В производственных зданиях без окон
и фонарей аварийное освещение как для продолжения работы, так
и для эвакуации должно питаться от независимого источника. В та-
ких помещениях сети рабочего и аварийного освещения должны
идти от разных источников питания; не допускается использование
силовых сетей для питания общего рабочего или аварийного осве-
щения.
Независимый источник для питания аварийного эвакуацион-
ного освещения требуется также в зданиях, в которых возможно
большое скопление людей (театры, кино, клубы, станции метро,
вокзалы, музеи и др.). В остальных случаях источник питания ава-
рийного освещения для эвакуации может не быть независимым,
однако следует всюду по возможности обеспечивать максимальную
надежность питания аварийного освещения.
Надежность работы осветительной установки в значительной
мере определяется принятой схемой питания. При выборе схемы
учитываются необходимая степень надежности, требуемые уро-
вень и постоянство напряжения у источников света, удобство экс-
плуатации и экономичность установки.
При включении цепи люминесцентной лампы (рис. 2.15) в сеть
между электродами пускателя возникает разряд, под действием ко-
77
Рис. 2.15. Схемы включения люминесцентных ламп:
а — одной лампы; б — двух ламп; С — зажигатель (стартер); Др — дроссель; Кр —
конденсатор для подавления радиопомех; Кп — компенсирующий пусковой дроссель;
ПРУ — пускорегулирующее устройство
торого нагреваются биметаллическая пластинка и электроды лю-
минесцентной лампы и происходит их подогрев. Менее чем через
секунду биметаллическая пластинка охлаждается и электроды пу-
скателя размыкаются.
Цепь тока прерывается, и магнитная энергия, запасенная в дрос-
сельной катушке, исчезая, создает импульс повышенного напря-
жения на электродах люминесцентной лампы. Подогретая своими
электродами, люминесцентная лампа зажигается и светится до тех
пор, пока ее не отключат от сети. Дроссельная катушка при работе
лампы обеспечивает стабильность газового разряда в ней. Пуска-
тель при свечении люминесцентной лампы бездействует, так как
напряжение на его электродах при этом ниже, чем требуется для
возникновения газового разряда между его электродами.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите электрические характеристики источников света.
2. Какими световыми величинами характеризуется источник
света?
78
3. Что называется освещенностью?
4. Какова конструкция лампы накаливания?
5. Назовите преимущества и недостатки люминесцентных ламп.
6. Назовите основные конструктивные элементы галогенных ламп
накаливания.
7. Какова конструкция дуговой ртутной люминесцентной лампы,
натриевых ламп, компактных люминесцентных ламп?
8. Для чего в электрическую цепь люминесцентных ламп включа-
ются дроссель и конденсатор?
9. В чем преимущество применения люминесцентных электриче-
ских ламп по сравнению с лампами накаливания?
10. Для каких целей применяются отражатели и рассеиватели?
Глава 3
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ
ЭЛЕКТРОПРИВОД
3.1.
ПОНЯТИЕ «ЭЛЕКТРОПРИВОД»
Эффективность средств производства, которыми располагает
человеческое общество, в значительной степени определяется со-
вершенством способов получения энергии, необходимой для вы-
полнения механической работы в производственных процессах.
Производственные механизмы, без которых нельзя в настоящее
время представить себе ни одно производство, прошли длитель-
ный путь своего развития, прежде чем приняли вид современного
автоматизированного электропривода, приводящего в движение
бесчисленное множество рабочих машин и механизмов в про-
мышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и бытовой
технике и автоматически управляющего их технологическими
процессами.
Пределы использования по мощности современного электро-
привода очень широкие — от десятков тысяч киловатт в единичном
двигателе до долей ватта.
Современный автоматизированный электропривод представля-
ет собой сложную электромеханическую систему, предназначен-
ную для приведения в движение рабочего органа машины и управ-
ления ее технологическим процессом. Он состоит из трех частей:
электрического двигателя, осуществляющего электромеханиче-
ское преобразование энергии; механической части, передающей
механическую энергию рабочему органу машины; системы управ-
80
ления, обеспечивающей оптимальное по тем или иным критериям
управление технологическим процессом.
Диапазон изменения номинальных частот вращения электро-
привода имеет широкие пределы. Использование средств дискрет-
ной техники в системах управления приводами постоянного тока
расширяет диапазон регулирования скорости до (1 000... 1 500): 1
и выше. Нельзя представить себе ни одного современного произ-
водственного механизма в любой области техники, который не при-
водился бы в действие автоматизированным электроприводом.
Б электроприводе основным элементом, непосредственно пре-
образующим электрическую энергию в механическую, является
электрический двигатель, который чаще всего управляется при
помощи соответствующих преобразовательных и управляющих
устройств в целях формирования статистических и динамических
характеристик электропривода, отвечающих требованиям произ-
водственных механизмов. Речь идет об обеспечении с помощью ав-
томатизированного электропривода оптимального режима работы
машин, при котором достигается наибольшая производительность
при высокой точности.
Многообразие производственных процессов обусловливает
различные виды и характеры движения рабочих органов машины,
а следовательно, и электроприводов. По виду движения электро-
приводы могут обеспечить вращательное однонаправленное дви-
жение, вращательное реверсивное движение и поступательное
реверсивное движение. Характеристики двигателя и возможности
системы управления определяют производительность механизма,
точность выполнения технологических операций.
Свойства электромеханической системы оказывают решающее
влияние на важнейшие показатели рабочей машины и в значи-
тельной мере определяют качество и экономическую эффектив-
ность технологических процессов. Развитие автоматизированного
электропривода ведет к совершенствованию конструкций машин,
коренным изменениям технологических процессов, дальнейшему
прогрессу во всех отраслях экономики, поэтому теория электропри-
вода — техническая наука, изучающая общие свойства электроме-
ханических систем, законы управления их движением и способы
синтеза таких систем по заданным показателям, имеет важнейшее
практическое значение.
Системы автоматического управления электроприводами посто-
янного и переменного тока, в которых используются все достиже-
ния полупроводниковой техники, а также возможности электрон-
ной вычислительной техники, позволяют существенно упростить
81
конструкции производственных механизмов, повысить их точность
и производительность, т. е. способствовать техническому прогрес-
су. Широкая автоматизация механизмов на базе следящих систем
электроприводов, систем с цифровым программным управлением
и средств комплексной автоматизации — очень важная задача.
Электрическим приводом называется электромеханическая си-
стема, состоящая из электродвигательного, преобразовательного,
передаточного и управляющего устройств. Она предназначена для
приведения в движение исполнительных органов рабочей маши-
ны и управления этим движением. Для выполнения этих функций
электропривод вырабатывает механическую энергию за счет элек-
трической энергии, получаемой им от источника электрической
энергии (сети электроснабжения). Вырабатываемая электроприво-
дом механическая энергия передается различным исполнительным
органам рабочих машин и механизмов (ленте транспортера или
конвейера, шпинделю токарного станка, крыльчатке насоса, вал-
кам прокатного стана, кабине лифта, антенне радиотелескопа и др.)
и при необходимости регулируется в соответствии с технологиче-
скими требованиями к режимам работы исполнительного органа.
За счет полученной энергии исполнительный орган совершает
требуемое механическое движение, обеспечивая тем самым выпол-
нение производственных и технологических операций: перемеще-
ние грузов, обработку деталей, транспортирования жидкости или
газа, слежение за небесными телами и т.д.
Основой любого электропривода является электродвигательное
устройство — электродвигатель (ЭД), который обеспечивает пре-
образование электрической энергии в механическую (МЭ). Для со-
гласования движений ЭД и исполнительного органа (ИО) рабочей
машины служит механическое передаточное устройство (МПУ),
которое обеспечивает изменение параметров вырабатываемой ЭД
механической энергии. Движущаяся часть ЭД (ротор), МПУ и ИО
образуют механическую часть электропривода. В ряде случаев
МПУ отсутствует и ЭД непосредственно сочленяется с ИО.
Механическую энергию ЭД вырабатывает за счет электриче-
ской энергии, которая подводится к ЭД от источника электрической
энергии ИЭЭ через электрическое преобразовательное устройство
ПУ. Назначение ПУ состоит в преобразовании и регулировании
параметров электрической энергии, поступающей от ИЭЭ к ЭД
управления механическим движением ИО.
Управление процессом преобразования энергии осуществляется
с помощью управляющего устройства (УУ), которое вырабатывает
управляющий сигнал Uy в функции задающего сигнала (73 (иногда
82
его называют входным сигналом или сигналом уставки) и различ-
ных дополнительных электрических сигналов, содержащих инфор-
мацию о процессе преобразования энергии, реальных параметрах
механического движения ЭД или ИО и т.д. Использование этих
сигналов (на рис. 3.1 они показаны штриховыми линиями) позволя-
ет получить требуемые характеристики движения ЭД и ИО, достиг-
нуть оптимального режима работы производственных механизмов,
обеспечить защиту и блокировки при работе электропривода. Эти
сигналы вырабатываются соответствующими датчиками. Преобра-
зовательное и управляющее устройства образуют систему управ-
ления {СУ), которая вместе с обмотками составляет электрическую
систему электропривода.
Приведем наиболее распространенные примеры исполнитель-
ных органов и элементов электропривода.
1. Исполнительный орган: шпиндель токарного станка; подвиж-
ной стол строгального станка; лента (цепь) конвейера; ковш экска-
ватора; кабина подъемника; крыльчатка насоса; валки прокатного
стана; ходовой винт механизма подачи станка; тележка механизма
передвижения крана; крюк подъемной лебедки.
2. Электродвигатель: двигатель постоянного тока с разными ви-
дами возбуждения; асинхронный двигатель с фазным или коротко-
замкнутым ротором; синхронный двигатель; линейные двигатели
постоянного или переменного тока; вентильный двигатель; шаго-
вый двигатель; двигатели с катящимися и волновыми роторами; ре-
дукторные двигатели.
3. Механическое передаточное устройство: цилиндрические
и червячные редукторы; планетарная передача; передачи
Рис. 3.1. Структурная схема электропривода:
ЭД — электродвигатель; ИО — исполнительный орган; МПУ — механическое пере-
даточное устройство; УУ — управляющее устройство; ЭЭ — электрическая энергия;
МЭ — механическая энергия; ПУ — преобразовательное устройство; СУ — система
управления; ИЭЭ — источник электрической энергии; Ц — управляющий сигнал;
U3 — задающий сигнал
83
винт—гайка; волновая передача; кривошипно-шатунная передача;
цепная и ременная передача; реечная передача.
4. Преобразовательное устройство: управляемый выпрямитель;
преобразователи частоты, напряжение переменного тока, импульс-
ные преобразовали напряжения; инверторы.
5. Управляющее устройство: кнопка; ключ управления; регуля-
тор; управляющая вычислительная машина; реле; логические эле-
менты; усилитель; фазовый детектор.
6. Источник электрической энергии: однофазная или трехфаз-
ная сеть переменного тока промышленной частоты; цеховая сеть
постоянного тока; аккумуляторная батарея; дизель-генераторная
установка; солнечная батарея.
ФУНКЦИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА
3.2.
Современный период развития нашего общества характеризу-
ется высоким уровнем развития средств производства, транспорта,
связи, бытовой техники. Для обеспечения растущих потребностей
человечества созданы, продолжают разрабатываться и совершен-
ствоваться сотни тысяч рабочих машин, производственных и бы-
товых механизмов, подъемно-транспортных средств и т. д. Они осу-
ществляют обработку материалов и изготовление разнообразных
изделий, транспортировку людей и веществ, добычу полезных ис-
копаемых, обеспечивают быт людей и выполняют многие другие
функции.
Представление об основных технологических процессах и рабо-
чих машинах дает табл. 3.1 (колонки 2 и 3).
Рассмотрим приведенные примеры в целях определения требо-
ваний к электроприводу и выполняемых им функций.
Для функционирования рабочих машин и механизмов к их ис-
полнительным органам от привода должна быть подведена меха-
ническая энергия, за счет которой и совершается их движение.
Характер этого движения может быть разнообразным: вращатель-
ным однонаправленным (крыльчатка насоса и вентилятора, фреза
фрезерного станка) и реверсивным (валки прокатного стана, шпин-
дель токарного станка), поступательным однонаправленным (лента
транспортера, цепь конвейера) и реверсивным (стол строгального
станка, подъемные механизмы), а также возвратно-поступательным
(вибрационные механизмы, прессы). Иногда эти движения должны
совершаться сразу в нескольких плоскостях (антенна радиотеле-
скопа, «руки» робота и манипулятора, ковш экскаватора).
84
Таблица 3.1. Типы технологических процессов
СО сл Технологический процесс Рабочие машины и механизмы, осуществляющие процесс Характерные требо- вания к движению ис- полнительных органов Функции электропривода как средства автоматизации процессов
1 2 3 4
Изготовление и обработ- ка материалов и изделий Металлообрабатывающие и де- ревообрабатывающие станки, Прокатные станы. Прессы. Ткац- кие станки. Бумагоделательные машины. Электроинструмент Поступательное однонаправленное или реверсив- ное движение. Вращательное однонаправленное или реверсивное движение. Возврат- но-поступательное движение. Точная установка испол- нительного органа в заданное положе- ние в пространстве. Изменение скоро- сти и ускорения. Постоянство скоро- сти движения Пуск, реверс и останов (торможение). Регулирова- ние скорости и ускорения. Обеспечение заданного натяжения обрабатывае- мого материала. Согласова- ние движения нескольких исполнительных органов. Обеспечение движения по заданной программе. Обеспечение движения в функции произвольно изменяющегося входного сигнала (слежение). До- стижение оптимального ре- жима процесса. Адаптация к изменяющимся условиям процесса. Комплексная автоматизация сложных процессов. Обеспечение защит и блокировок при работе оборудования
Перемещение материа- лов и изделий; переме- щение людей Транспортеры. Лебедки. Подъем- ные краны. Лифты. Эскалаторы. Подвесные дороги
Перемещение жидкости и газов Насосы. Дымососы. Вентилято- ры. Компрессоры
Обеспечение быта людей Холодильники. Стиральные ма- шины. Электромясорубки
Разработка полезных ис- копаемых Экскаваторы. Буровые установ- ки. Угольные комбайны
Обеспечение теле- и радиосвязи, вспомо- гательных операций, испытание материалов и изделий Радиотелескопы. Роботы. Мани- пуляторы. Графопостроители. Испытательные стенды
Многие машины и механизмы при своей работе требуют изме-
нения не только направления, но и скорости движения исполни-
тельных органов. Так, угловая скорость валков прокатного стана
должна быть различной в зависимости от профиля прокатываемо-
го металла. Также необходимо изменять скорость подачи режущего
инструмента или стола металлообрабатывающего станка в зависи-
мости от твердости материала обрабатываемой детали, ее конфигу-
рации и стойкости режущего инструмента. Для большинства подъ-
емно-транспортных машин (кранов, лифтов, подъемников) для обе-
спечения точного останова исполнительных органов их скорость
должна быть предварительно снижена.
Необходимо также поддерживать заданную точность скорости
движения исполнительного органа (металлорежущие станки, ис-
пытательные стенды, прокатные станы и т.д,). Все перечисленные
требования к характеру движения исполнительных органов, кото-
рые должны быть обеспечены приводом, отражены в табл. 3.1.
Наряду с обеспечением движения исполнительных органов
электропривод одновременно решает разнообразные задачи по ав-
томатизации технологических процессов и операций. Большинство
задач может быть решено только с применением автоматизирован-
ного электропривода, в котором используются самые последние до-
стижения электроники, автоматики, электромеханики и электро-
машиностроения.
Электроприводом называется электромеханическое устрой-
ство, посредством которого приводятся в движение рабочие орга-
ны машин. Электрическая часть этого устройства содержит элек-
тродвигатели (в частном случае один). Управление ручное, если
выполняется при помощи простейших коммутационных аппаратов
(рубильников, контроллеров и т.п.), на которые непосредственно
воздействует человек (оператор).
Автоматическое управление электроприводом осуществляется
без непосредственного участия человека. Человек может давать
лишь первый импульс на автоматическое выполнение того или дру-
гого режима работы привода и контролировать его. Часто и первый
импульс для автоматического управления электроприводом отдель-
ной машины также подается самими автоматическими устройст-
вами.
Автоматическое управление электроприводами сводится к вы-
полнению без непосредственного участия оператора заданного
режима работы в статических и динамических условиях в соот-
ветствии с требованиями производственного процесса. В технике
автоматического управления электроприводами появилась тенден-
86
ция внедрения систем программного управления, позволяющих
исключить вмешательство человека в рабочий процесс даже при
обработке самых сложных деталей на отдельных машинах и лини-
ях таких машин. Автоматическое управление электроприводами
способствует росту производительности труда, снижению стоимо-
сти и повышению качества продукции. Сам труд становится более
квалифицированным.
Устройства автоматического управления выполняют следующие
функции:
1) автоматические пуск, торможение и реверсирование электро-
двигателей. К устройствам автоматического управления, выполня-
ющим первую функцию, относятся большинство механизмов ме-
таллообрабатывающей, металлургической и других отраслей про-
мышленности. Примерами этих механизмов могут служить универ-
сальные токарные, фрезерные и шлифовальные станки, вентиля-
торы, насосы, компрессоры, ковочные машины, нарезные станки,
толкатели нагревательных печей и многие другие механизмы;
2) автоматическое задание и поддержание скорости вращения
электродвигателей (или другой переменной) с невысокой точно-
стью. Если производственный механизм должен менять скорости,
то от электропривода в общем случае требуются автоматический
пуск двигателя на любую из заданных скоростей и переходы с лю-
бой из заданных скоростей на другую. Предполагается, что каждая
скорость задается соответствующей механической характеристи-
кой двигателя. К устройствам автоматического управления, выпол-
няющим вторую функцию, относятся строгальные, шлифовальные,
фрезерные, токарные станки, подъемные краны, лифты, прокатные
станы и другие механизмы. (Вторую функцию выполняют преиму-
щественно устройства релейно-контакторной автоматики.};
3) автоматическое задание и поддержание скорости вращения
(или другой переменной) с высокой точностью. Производственные
механизмы могут требовать задания и поддержания скоростей вра-
щения (моментов, мощностей, давлений, ускорений, реактивностей
атомных реакторов и других параметров) с высокой точностью. Эта
функция обычно выполняется при помощи систем автоматическо-
го регулирования (САР), которые могут обеспечить значительно
большую точность поддержания заданной переменной, чем обычные
электроприводы. Можно назвать ряд установок, в которых примене-
ние САР необходимо: электропривод подачи точного шлифовально-
го станка, генератор со стабилизированным напряжением, моталка
стана холодной прокатки с постоянным натяжением металла, непре-
рывные прокатные станы, ротационные печатные машины;
87
4) слежение за вводимыми в систему сигналами. Существуют
механизмы, которые требуют, чтобы осуществлялось слежение
за произвольно меняющимися сигналами с заданной точностью.
Здесь имеется в виду, что при любом заранее не заданном движе-
нии входной оси во времени выходная ось (ось двигателя) повто-
ряет это движение, «следит» за входной. Этот случай наиболее рас-
пространен, однако он не является единственным. Возможно сле-
жение за линейными перемещениями, температурой, количеством
воды или воздуха и другими переменными величинами. Область
применения следящих приводов обширна и охватывает механизмы
как одиночной, так и комплексной автоматизации. Сюда относят-
ся копировальные металлорежущие станки, ножницы и нажимные
устройства прокатных станов, механизмы сопровождения радио-
локационных станций и др.;
5) автоматическое управление отдельными механизмами и ком-
плексами механизмов по заданной программе. Программное авто-
матическое управление все чаще заменяет операторов, выполняю-
щих однообразные действия и подающих командные импульсы
автоматическим устройствам отдельных узлов или агрегатов. Про-
граммное автоматическое управление все шире распространяется
как для отдельных механизмов, так и для поточных линий и устано-
вок комплексной автоматизации. К устройствам с автоматическим
программным управлением относятся продольно-строгальные,
фрезерные и токарные станки-автоматы, копировальные и фото-
копировальные станки, реверсивные прокатные станы, а также
устройства комплексной автоматизации мартеновских печей, блю-
мингов и многие другие;
6) программное управление отдельными механизмами и ком-
плексами механизмов с автоматическим выбором наиболее рацио-
нальных режимов. Однообразный умственный труд человека может
выполняться машинами. Вычислительные машины значительно бы-
стрее, чем человек, могут производить разные математические дей-
ствия и в зависимости от результатов вычислений подавать команд-
ные сигналы отдельным механизмам или комплексам механизмов.
В устройства автоматического управления, выполняющие шестую
функцию, могут входить механические, релейно-контакторные,
электронные и электромашинные узлы, узлы с магнитными усили-
телями и полупроводниками. В них входят шифраторы и дешифра-
торы, запоминающие устройства, печатающие механизмы и мно-
гие другие элементы, присущие вычислительным машинам.
Немаловажной функцией, возлагаемой на электропривод, яв-
ляется обеспечение защит, блокировок и сигнализаций при работе
88
технологического оборудования. Для этого в структуру электро-
привода вводятся соответствующие элементы и устройства, пре-
дотвращающие неправильную последовательность операций или
ошибочные действия оператора и осуществляющие ограничение
хода исполнительных органов, останов машины или механизма при
возникновении аварийных ситуаций и т. д,
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
3.3.
Данные, приведенные в табл. 3.1, позволяют сделать вывод
о большом разнообразии существующих электроприводов. Они
обычно классифицируются по виду движения и степени управляе-
мости электропривода, роду электрического и механического пере-
даточных устройств, способу передачи механической энергии ис-
полнительным органам и ряду других признаков.
По виду движения различают электроприводы вращательного
и поступательного однонаправленного и реверсивного движения,
а также электроприводы возвратно-поступательного движения.
Эти движения могут иметь как непрерывный, так и дискретный ха-
рактер.
По принципам регулирования скорости и положения электро-
привод может быть:
нерегулируемым (исполнительный орган приводится в движе-
ние с одной постоянной скоростью);
регулируемым (путем воздействия на электропривод скорость
движения исполнительного органа изменяется в соответствии
с требованиями технологического процесса);
следящим (с помощью электропривода воспроизводится пере-
мещение исполнительного органа в соответствии с произвольно
изменяющимся задающим сигналом);
программно-управляемым (электропривод обеспечивает пере-
мещение исполнительного органа в соответствии с заданной
программой);
адаптивным (электропривод автоматически обеспечивает опти-
мальный режим движения исполнительного органа при измене-
нии условий его работы);
позиционным (электропривод обеспечивает регулирование по-
ложения исполнительного органа рабочей машины).
По роду механического передаточного устройства различа-
ют редукторный электропривод, содержащий один из видов меха-
нического передаточного устройства, и безредукторный электро-
89
привод, в котором электродвигатель непосредственно соединен
с исполнительным органом.
По роду электрического преобразовательного устройства
различают:
вентильный электропривод, преобразовательным устройством
которого является вентильный преобразователь энергии. Разно-
видностями вентильного электропривода являются ионный
и полупроводниковый электроприводы. Полупроводниковые
электроприводы, в свою очередь, подразделяются на тиристор-
ные и транзисторные электроприводы, преобразовательными
устройствами в которых являются соответственно тиристорные
или транзисторные преобразователи электроэнергии;
систему «управляемый выпрямитель—двигатель» (УВ—Д) —
вентильный электропривод постоянного тока, преобразователь-
ным устройством которого является регулируемый выпрями-
тель;
систему «преобразователь частоты—двигатель» (ПЧ—Д) —
вентильный электропривод переменного тока, преобразователь-
ным устройством которого является регулируемый преобразо-
ватель частоты;
системы «генератор—двигатель» (Г—Д) и «магнитный усили-
тель—двигатель» (МУ—Д) — регулируемый электропривод,
преобразовательным устройством которого является соответ-
ственно электромашинный преобразовательный агрегат или
магнитный усилитель.
По способу передачи механической энергии исполнительному
органу электроприводы подразделяются на индивидуальные, взаи-
мосвязанные и групповые.
Индивидуальный электропривод характеризуется тем, что каж-
дый исполнительный орган рабочей машины приводится в движе-
ние своим отдельным двигателем. Этот вид привода в настоящее
время является основным, так как при индивидуальном электро-
приводе упрощается кинематическая передача от двигателя к ис-
полнительному органу, легко осуществляется автоматизация техно-
логического процесса, улучшаются условия обслуживания рабочей
машины.
Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько
электрически или механически связанных между собой электро-
привода. Частным случаем взаимосвязанного электропривода яв-
ляется много двигательный электропривод, при котором несколько
двигателей работают на общий вал, приводя в движение один ис-
полнительный орган.
90
Групповой электропривод характеризуется тем, что от одного
двигателя приводится в движение несколько исполнительных орга-
нов одной или нескольких рабочих машин. Такая система электро-
привода, широко применявшаяся на раннем этапе его развития,
имеет разветвленную кинематическую цепь (трансмиссию), что
усложняет ее эксплуатацию и автоматизацию технологических
процессов.
Коэффициент полезного действия электропривода q определя-
ется отношением
Prajx Р1)Х — ДР
Л = ~Р~ = ~Р '
2 вх 2 вх
где Рвых — мощность на валу редуктора; Рвх — электрическая мощ-
ность на входе преобразователя; ДР — суммарные потери в преоб-
разователе, двигателе и редукторе.
Если электропривод не содержит преобразователя и редуктора,
то КПД электропривода т] характеризуется только КПД двигателя.
3.4.
МЕХАНИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
Исполнительные органы рабочих машин совершают враща-
тельное или поступательное движение. Преобладающим видом
движения элементов электропривода является вращательное, что
обусловлено применением в большинстве электроприводов в ка-
честве электромеханического преобразователя электродвигателей
с вращательным движением выходного вала. Существуют линей-
ные электродвигатели, у которых подвижная часть совершает по-
ступательное движение, но такие двигатели имеют пока ограничен-
ное применение. Для оценки скорости вращательного движения
используются понятия «угловая скорость вращения» со и «частота
вращения» п.
Угловая скорость вращения является производной величиной
международной системы (СИ) и измеряется в радиан в секунду
(рад/с); обычно ее применяют при рассмотрении теоретических
вопросов электропривода.
В технической документации (каталоги, справочники, техниче-
ские условия и т.п.) и практических расчетах обычно используют
единицу частоты вращения «обороты в минуту». Угловая скорость
вращения и частота вращения связаны между собой зависимостью
® - —п = 0,105п.
60
91
Рис. 3.2. Механические харак-
теристики электроприводов
с двигателями разных типов:
7 — синхронный двигатель; 2 —
асинхронный двигатель; 3 — дви-
гатель постоянного тока независи-
мого возбуждения; 4 — двигатель
постоянного тока последователь-
ного возбуждения
Работа электроприводов характе-
ризуется рядом параметров, основ-
ными из которых являются электро-
магнитный момент на валу д вигателя
М (Н -м) и частота вращения п (об./
мин) или угловая скорость вращения
ю (рад/с). Зависимость между этими
параметрами п = или со = f(M),
выраженная графически, представ-
ляет собой механическую характе-
ристику электропривода. На рис. 3.2
представлен примерный вид механи-
ческих характеристик электропри-
водов с двигателями, получившими
наибольшее применение.
При передаче вращательного дви-
жения рабочему механизму двига-
тель испытывает противодействие
со стороны этого механизма, которое определяется статическим
моментом сопротивления Мс. Статические моменты сопротивления
подразделяются на активные и реактивные.
Активный, статический момент действует в одном неиз-
менном направлении независимо от направления движения ме-
ханизма. Такой момент сохраняет свое направление и величину
даже в неподвижном механизме, так как он создается постоянно
действующими внешними силами, не зависящими от этого меха-
низма. Примером такого статического момента является статиче-
ский момент сопротивления подъемного механизма — лебедки,
создаваемый грузом G, подвешенным на тросе. Постоянно действу-
ющая на груз G гравитационная сила земного притяжения создает
статический момент сопротивления независимо от направления
вращения барабана лебедки, т.е. независимо от того, поднимается
этот груз или опускается, или же он неподвижен.
Активный статический момент сопротивления Мс, Н м, пропор-
ционален массе подвешенного груза т и определяется выражением
Мс ~ дт \
где D6 — диаметр барабана, м; д = 9,81 м/с2 — ускорение свободного
падения, которое является переводным коэффициентом между
единицей силы ньютоном (Н) и единицей массы килограммом
(1 кг-9,81 Н).
92
Рис. 3.3. Механические характеристики рабочих механизмов:
а — подъемный механизм (лебедка); б — силы механизма: трения, резания, пласти-
ческой деформации; в — центробежный вентилятор, дымосос, центробежный насос;
г — станок металлообрабатывающий
Механическая характеристика активного статического момента
п - имеет вид прямой вертикальной линии (рис. 3.3, а), рас-
положенной во втором и третьем квадрантах осей координат.
Таким образом, при подъеме груза активный статический мо-
мент направлен против момента двигателя, вращающего барабан,
а при опускании груза — согласно с этим моментом.
Реактивные статические моменты сопротивления действу-
ют только в движущихся механизмах, при этом они направлены
всегда противоположно этому движению. Если направление дви-
жения изменится, то также изменится и направление реактивно-
го статического момента. При неподвижном состоянии механиз-
ма статический реактивный момент сопротивления равен нулю
(Мс = 0). Например, механическая характеристика реактивного
статического момента сопротивления, вызванного силами трения
в движущихся частях механизма, имеет вид прямых вертикальных
линий, расположенных во втором и четвертом квадрантах осей ко-
ординат (рис. 3.3, б). Приблизительно такую же форму имеют меха-
нические характеристики статических моментов, обусловленных
силами резания или пластической деформации.
Реактивные статические моменты большинства производствен-
ных механизмов зависят не только от направления, но и от скоро-
сти движения. При этом механические характеристики реактивных
с татических моментов могут иметь разную форму. Например, у цен-
тробежных вентиляторов, центробежных насосов и других анало-
гичных механизмов статический момент сопротивления пропорцио-
93
нален квадрату частоты вращения (М - п1), поэтому механическая
характеристика этих механизмов имеет вид параболы (рис. 3.3, в).
Металлорежущие станки при постоянной мощности Р - Мсп -
= const имеют механическую характеристику, при которой с ростом
реактивного статического момента сопротивления Мс частота вра-
щения п уменьшается (рис. 3.3, г).
Рассмотренные механические характеристики механизмов,
представленные на рис. 3.3, имеют приближенный вид, так как ха-
рактеристики реальных механизмов, учитывающие особенности
их конструкции и условия эксплуатации, имеют более разнообраз-
ную форму.
В связи с тем что реактивные статические моменты сопротив-
ления направлены противоположно вращающему моменту двига-
теля, значения статических реактивных моментов принимаются
со знаком, противоположным знаку вращающего момента приво-
дного двигателя. Например, если вращающий момент двигателя
положителен, то статический реактивный момент сопротивления
механизма отрицателен и его принимают со знаком «минус».
Статические нагрузки. Во время работы любого механизма в нем
возникает некоторое противодействующее усилие. Например, при
фрезеровании, сверлении, точении в месте соприкосновения ин-
струмента и обрабатываемой детали появляется сила трения, всегда
направленная против движения и стремящаяся затормозить движе-
ние. Если изменить направление вращения фрезы, сверла или дета-
ли на токарном станке, то и сила трения изменит свое направление.
Значение ее будет зависеть от твердости материала, подачи и глуби-
ны резания. Такая сила называется статической силой сопротивле-
ния FCT, а момент, вызванный ею, — статическим моментом сопро-
тивления МСТ. Электродвигатель должен постоянно преодолевать
этот момент, поэтому он и потребляет от сети электроэнергию.
Статический момент сопротивления возникает и в других ме-
таллообрабатывающих станках: шлифовальных, строгальных,
долбежных, разрезных. В них появляется момент трения, который
всегда направлен против движения инструмента. Статический мо-
мент сопротивления, возникающий только при движении и всегда
направленный против движения, называется реактивным. Боль-
шинство механизмов — вентилятор, центробежный насос, гребной
винт корабля, а также транспортные средства (например, трамвай,
троллейбус, электропоезд и др.) — имеют реактивный момент со-
противления.
Статический момент сопротивления, направленный в какую-
либо одну сторону, независимо от направления движения называ-
94
ется активным. Например, подъемное устройство поднимает груз.
Вес груза G направлен вниз и создает статический момент сопро-
тивления
где D — диаметр барабана, м.
Очевидно, что и при подъеме груза (вращение барабана про-
тив часовой стрелки) и при спуске (вращение барабана по часовой
стрелке) момент сопротивления Мст всегда направлен в одну сторо-
ну — по часовой стрелке.
К механизмам с активным статическим моментом сопротивле-
ния относятся подъемные краны, лифты, шахтные подъемники, т. е.
механизмы, в которых преодолеваются силы тяжести. Существуют
механизмы, в которых преодолеваются силы упругости. Например,
если электродвигателем сжимать пружину, то момент сопротивле-
ния будет направлен против движения; если же двигатель вращать
в обратную сторону, то момент, созданный пружиной, будет направ-
лен в ту же сторону и будет помогать вращению электродвигателя.
Силы упругости возникают в часах с электрическим подзаво-
дом, автоматических выключателях с пружинным разъединени-
ем контактов, поршневых насосах и др. Существуют механизмы,
в которых одновременно возникают оба статических момента со-
противления: активный и реактивный (например, эскалатор ме-
тро, поднимающий пассажиров и одновременно перемещающий
их по горизонтали; конвейер и канатная дорога, установленные
наклонно; роторный экскаватор, преодолевающий силы тяжести
и силы трения).
Механизмов только с активным моментом статического сопро-
тивления не бывает. В любом подъемном механизме имеется тре-
ние и, следовательно, реактивный момент, но он часто настолько
мал, что им пренебрегают.
Основное уравнение движения электропривода. Согласно пер-
вому закону Ньютона прямолинейное равномерное движение про-
исходит при F = FCT, а равномерное вращение — при М - МСТ, Если
М > Мст, то происходит ускорение электродвигателя и механизма,
а если М < Мст, то — замедление. Таким образом, при неравномер-
ном вращении всегда имеется некоторая разность между этими мо-
ментами:
МДИГ1 = М-МСТ, (3.1)
где Л1ДИ!1 ~ динамический момент, Н м.
95
Очевидно, что при равномерном вращении 74ЛИ11 = 0, при ускоре-
нии 74дин > 0, а при замедлении ^дип < 0- Уравнение (3.1) называется
основным уравнением электропривода для вращательного движе-
ния. Для поступательного движения динамическая сила
F
где F — движущая сила, Н; FCT — статическая сила сопротивле-
ния, Н.
В уравнении (3.1) моменты М и 74ст могут иметь знак «+» или «-».
Если эти моменты направлены в туже сторону, что и вращение, то они
считаются положительными, а если в обратную, то отрицательными.
Электромагнитный момент М двигателя со знаком «+» означает, что
двигатель работает в двигательном режиме и вращение происходит
под действием электродвигателя. Момент М со знаком «-» означает,
что двигатель работает в тормозном (генераторном) режиме, т.е. его
электромагнитный момент препятствует движению.
Реактивный статический момент сопротивления всегда отрица-
телен, так как силы трения всегда направлены против движения. Ак-
тивный момент может быть и положительным, и отрицательным.
Примеры основного уравнения электропривода:
1) ~^дин = М - 74ст. Это уравнение соответствует работе двига-
теля в двигательном режиме (+74) с замедлением (-74дин); при этом
момент сопротивления может быть активным или реактивным
и направленным против вращения ( В таком режиме рабо-
тают токарный станок в момент увеличения глубины резания или
подачи, транспортерная лента при увеличении количества грузов
на ней ит.д.;
2) 74ДИ]< = М - Это уравнение соответствует работе электро-
привода с ускорением при уменьшении нагрузки в тех же механиз-
мах;
3) 74дин = -М + М(.т. Это уравнение соответствует работе двигателя
в тормозном режиме (-74), но электропривод вращается с ускорени-
ем (+74дин). Это может происходить только под действием статиче-
ского момента сопротивления, направленного в сторону вращения
(+74ст), например при спуске груза, когда во время работы двигателя
на подъем трос все же разматывается под действием очень тяжело-
го груза;
4) -Мдин = -74 - 74ст. Это уравнение соответствует замедлению
(-74дин) при тормозном режиме двигателя (-74) и статическом мо-
менте, препятствующем движению ( 74ст). Так движется по инер-
ции электропоезд при подходе к станции. Он останавливается
и за счет трения, и за счет торможения двигателем.
96
Механические характеристики электродвигателей и механиз-
мов. Механической характеристикой называется зависимость меж-
ду двумя механическими величинами (рис. 3.4): моментом и угло-
вой скоростью: со = f(M). Вместо угловой скорости можно записать
-N = /(М), так как эти величины прямо пропорциональны:
тт п 30<в Л
<0 ~ — =---- или п--------- 9,55(11.
30 9,55 п
У синхронного электродвигателя при изменении момента ско-
рость не изменяется (кривая 1 на рис. 3.4, а).
У асинхронного электродвигателя и двигателя постоянного тока
независимого и параллельного возбуждения в рабочей части харак-
теристики скорость незначительно уменьшается с ростом момента
(соответственно кривые 2, 3).
У двигателя постоянного тока смешанного возбуждения при
встречном включении полюсных обмоток в рабочей части механи-
ческой характеристики с ростом момента угловая скорость сначала
растет, а затем уменьшается (кривая 4).
У двигателя постоянного тока последовательного возбуждения
с ростом нагрузки па двигатель скорость резко падает (кривая 5).
У двигателя постоянного тока смешанного возбуждения при со-
гласном включении полюсных обмоток с увеличением нагрузки
скорость резко уменьшается (кривая 6). Эта характеристика отли-
чается от характеристики, показанной на кривой 5, тем, что угловая
скорость холостого хода соо * <о, т. е. электродвигатель не идет враз-
нос при малых нагрузках.
В механических характеристиках 1...6 независимой перемен-
ной является вращающий электромагнитный момент, а угловая
скорость является функцией. В свою очередь, вращающий момент
Рис. 3.4. Механические характеристики электродвигателей (а) и произ-
водственных механизмов [б]
97
двигателя определяется статическим моментом сопротивления, так
как он стремится к равенству с моментом сопротивления (М - Мст),
что соответствует равномерному вращению.
Механические характеристики производственных механизмов
(рис. 3.4, б) имеют различную форму, так как принцип действия
механизмов различен. Механическая характеристика подъемного
устройства (лебедки) изображается вертикальной прямой линией
7, так как при постоянной массе груза момент Мст всегда постоянен
и не зависит от скорости вращения.
Вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты создают
статический момент сопротивления в результате трения о воздух
или жидкость. При этом сила трения пропорциональна квадрату
скорости вращения. Следовательно, механическая характеристика
имеет форму параболы (кривая 5).
Генератор постоянного тока также является механизмом. Его
якорь вращается от электродвигателя. Генератор потребляет меха-
ническую энергию, и в нем возникает статический момент сопро-
тивления. Природа этого момента — электромагнитная:
М = ^/ЯФ = МСТ,
где к — конструктивный безразмерный коэффициент; Гя — сила
тока якоря, А.
Значение к определяют по формуле
к=в".
2тш
где р — число пар полюсов; N — число активных проводников об-
мотки якоря; а — число параллельных ветвей обмотки якоря.
Пусть генератор имеет независимое или параллельное возбуж-
дение. Тогда Ф = const, а момент будет зависеть только от тока якоря.
При постоянном значении сопротивления нагрузки с увеличением
угловой скорости возрастает ЭДС:
Е = кФш.
Следовательно, возрастает и сила тока /я, А, в якоре:
я Ka+V
где 7?я, Ен— сопротивления цепи якоря генератора и нагрузки, Ом.
Тогда увеличится и момент, созданный якорем. Из представлен-
ных формул следует, что МС1. прямо пропорционален скорости; ха-
рактеристика изображается прямой линией 9, проходящей через
начало координат (см. рис. 3.4, б).
98
Металлорежущие станки при постоянной мощности имеют ги-
перболическую зависимость скорости от момента. Мощность Р, Вт,
для любого устройства с вращательным движением составляет:
Р-О)>М.
Следовательно, с ростом статического момента сопротивления
скорость уменьшается (кривая 10 на рис. 3.4, б). Такую же зависи-
мость имеют дорожно-транспортные средства: с ростом скорости
коэффициент трения колеса о дорогу уменьшается, т. е. уменьша-
ются сила трения и статический момент сопротивления.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ
УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
3.5.
В теории автоматизированных электроприводов сформулировано
одно из важнейших понятий — «регулирование координат; осущест-
вляемое в целях управления движением исполнительного органа». Ре-
ализуется этот процесс целенаправленным воздействием на электро-
двигатель с помощью системы управления, содержащей в общем слу-
чае (см. рис. 3.1) силовой преобразователь и устройство управления.
Рассмотрим, по каким принципам строятся системы управления.
Системы управления подразделяют на неавтоматизированные
и автоматизированные Последние, в свою очередь, подразделяют-
ся на разомкнутые и замкнутые.
Неавтоматизированными называются системы, в которых все
операции по управлению электроприводом осуществляются чело-
веком (оператором) с помощью простейших ручных средств управ-
ления. Обычно такие системы управления используются в нерегу-
лируемых электроприводах машин и механизмов, выполняющих
простые технологические операции.
Автоматизированными называются системы, в которых чело-
век (оператор) только дает команду на начало и конец работы, а все
остальные операции по обеспечению заданного технологического
процесса обеспечиваются системой управления без участия чело-
века.
Схема разомкнутой системы электроприводов представлена
на рис. 3.5, а.
Возмущающее воздействие в общем случае определяется раз-
личными помехами, колебаниями питающего напряжения, аварий-
ными ситуациями и нагрузкой электропривода, которая является
постоянным возмущающим воздействием для электропривода.
99
вых
у
ЛВОЗМ
г
Рис, 3.5. Принципы построения разомкнутых и замкнутых электроприво-
дов:
а — схема разомкнутой системы; б — схема замкнутой системы, построенной
по принципу обратной связи; в — схема замкнутой системы, построенной по прин-
ципу компенсации возмущения; г — комбинированная схема замкнутой системы;
ЭП — электропривод; Х9ых — выходная координата ЭП; Хэ — задающий сигнал
(управляющее воздействие), определяющий уровень Хвых; Хнвзм — возмущающее
воздействие; Хос — сигнал обратной связи; Кв — компенсация возмущения
Разомкнутая система — это система, в которой изменение
внешних возмущений Хвозм отражается на выходной величине Хвых.
Другими словами, разомкнутая система не обеспечивает отстройку
выходной величины от внешних возмущений, которые проявляют-
ся в изменении уровня Хвых, — это наиболее существенный недо-
статок разомкнутых систем, которые все-таки из-за своей просто-
ты широко применяются в электроприводе, например для автома-
тизации его пуска, реверса и торможения.
В отличие от разомкнутых в замкнутых системах влияние возму-
щающего воздействия Хвозм на выходную координату ХВЬ1Х частично
или полностью устраняется. Достигается это в системе с обратной
связью (рис. 3.5, б) и системе с компенсацией возмущающего воздей-
ствия (рис. 3.5, в), а также в комбинированной системе (рис. 3.5, г).
Системы с обратной связью или, что то же самое, системы, рабо-
тающие по принципу отклонения, являются основным видом зам-
кнутых систем автоматизированного электропривода. Их характер-
ным признаком является подача на вход электропривода сигнала
обратной связи Хсс, пропорционального выходной величине Хвмх.
100
Этот сигнал сравнивается с задающим сигналом Х3, и результиру-
ющий сигнал X (его называют обычно сигналом рассогласования,
или отклонения) является входным управляющим сигналом для
электропривода.
Если вследствие действия возмущения Хвозм (нагрузки электро-
привода) выходная величина Хвых (скорость электропривода) изме-
нится, то соответствующим образом изменится и сигнал рассогла-
сования X, а это приведет к изменению режима электропривода
и восстановлению с определенной точностью прежнего уровня его
скорости. Если производится регулирование нескольких координат
электропривода, то в системе используется и соответствующее чис-
ло обратных связей.
Системы, у которых X = 0, т. е. установившееся рассогласование,
обусловленное возмущающим воздействием, равно нулю, называ-
ются астатическими. Системы, у которых установившееся рассо-
гласование не равно нулю, называются статическими.
Системы со структурой, показанной на рис. 3.5, в, реализу-
ют принцип компенсации возмущающего воздействия. Для этого
входной сигнал Хвх, пропорциональный Хвозм, подается в систему
вместе с задающим сигналом Х3, в результате чего суммарный сиг-
нал X обеспечивает такое управление электропривода, при кото-
ром осуществляется компенсация возмущений. Такие системы ис-
пользуются значительно реже систем с обратными связями из-за
отсутствия простых и надежных датчиков нагрузки электроприво-
да. Кроме того, в этих системах компенсируется только одно из дей-
ствующих на систему возмущений.
В последнее время применение находят комбинированные
системы управления (рис. 3,5, г), использующие оба принципа,
но все же большинство замкнутых систем автоматизированного
электропривода составляют системы с обратными связями.
Все обратные связи подразделяются на положительные и отрица-
тельные, жесткие и гибкие, линейные и нелинейные. Положитель-
ной называется такая обратная связь, сигнал которой Хо с направлен
согласно с задающим сигналом Х3, в то время как сигнал отрица-
тельной обратной связи направлен навстречу сигналу задания.
Жесткая обратная связь характеризуется тем, что ее сигнал дей-
ствует как в установившихся, так и в переходных режимах ее рабо-
ты. Сигнал гибкой обратной связи вырабатывается только в пере-
ходных режимах системы и служит для формирования только ди-
намических характеристик электропривода.
Линейной называется обратная связь, которая математически
описывается линейными уравнениями (алгебраическими, диф-
101
ференциальными и т.д.). Все остальные связи являются нелиней-
ными.
В электроприводе для pei-улирования его выходных коорди-
нат — скорости, ускорения, положения — обычно используются
обратные связи по скорости, положению, току и напряжению всех
перечисленных ранее видов (обратная связь по моменту или уси-
лию двигателя применяется редко из-за отсутствия простых и на-
дежных датчиков момента и усилия).
Многие технологические процессы требуют одновременного
использования нескольких рабочих машин, которые для реализа-
ции нормального хода этих процессов должны определенным об-
разом взаимодействовать между собой. Наилучший результат ра-
боты совокупности нескольких рабочих машин единого технологи-
ческого цикла достигается при комплексной автоматизации, когда
с помощью соответствующих схем управления электроприводами
обеспечивается определенная последовательность операций, авто-
матически избираются наилучшие (оптимальные) режимы работы
машин, осуществляются необходимые блокировки и защита. В ко-
нечном итоге комплексная автоматизация технологических про-
цессов сказывается на увеличении производительности рабочих
машин и повышении качества выпускаемой продукции.
Современный этап комплексной автоматизации характеризу-
ется широким использованием средств вычислительной техники.
Повышение требований к точности и быстродействию управления
технологическими процессами, необходимость учета и обработки
больших объемов информации о их протекании, усложнение са-
мих законов управления делают задачу применения средств вычис-
лительной техники очень актуальной.
Предпосылками для ее решения являются постоянное повыше-
ние надежности и быстродействия вычислительных машин, расши-
рение их номенклатуры и появление специализированных и управ-
ляющих вычислительных машин-микропроцессоров. Применение
вычислительных машин позволяет обеспечить наилучший режим
технологического процесса с учетом влияния большого числа фак-
торов, согласование работы отдельных частей технологического
оборудования, получать, обрабатывать и выдавать всю необходи-
мую информацию о ходе технологического процесса.
Особое место при комплексной автоматизации технологиче-
ских процессов занимают роботы и манипуляторы, с помощью ко-
торых могут быть обеспечены связь между отдельными рабочими
машинами технологического цикла и выполнение многих повторя-
ющихся технологических операций. Эти технические устройства
102
с успехом осуществляют транспортирование обрабатываемых из*
делий, выполняют различные вспомогательные операции по об-
работке, освобождая рабочего от однообразного и утомительного
труда. Встречаются такие механизмы и электродвигатели, которые
не могут работать в паре, т. е. они несовместимы. Для того что-
бы заранее выяснить возможность совместной работы двигателя
и механизма, строят их совместную характеристику (рис. 3.6). Ме-
ханическую характеристику двигателя следует располагать в пер-
вом квадранте, а характеристику механизма — во втором, так как
момент Мст обычно отрицателен. Рассмотрим, например, характе-
ристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
и вентилятора.
Используя основное уравнение электропривода (уравнение
(3.1)), строим для нескольких значений скорости точки путем вычи-
тания абсцисс. Так, для со, из абсциссы а,б] вычитаем абсциссу с^В]
и получаем точку Аналогично находим точки г2, г3 и т. д., соединя-
ем их плавной кривой 2, которая представляет собой зависимость
со - и называется совместной характеристикой.
В точке пересечения этой характеристики с осью ординат мо-
мент М = Мст, а Мднн = 0, т. е. имеем установившийся режим со скоро-
стью юуст. Справа от этой точки располагается та часть совместной
характеристики, в которой М > МГ|, что соответствует ускорению,
а слева М < Л1(Т, что соответствует замедлению.
Полученная кривая 2 имеет наклон слева вниз направо. Это озна-
чает, что режим работы электропривода устойчив. Предположим,
Рис. 3.6. Построение совместной характеристики:
7 - ш = Г(М]: 2 - f[M^ 3 - f(MJ
103
что по какой-то причине скорость уменьшилась от значения
до <о4 (точка г4). Сразу же появляется динамический момент М^н> О,
электропривод автоматически увеличивает скорость до первона-
чальной. Если же скорость возрастает от (оуст до <в5 (точка г5), то по-
является замедление и скорость снова автоматически восстанавли-
вается до значения гоуст.
Если окажется, что совместная характеристика имеет наклон
слева вверх направо (штриховая линия), то совместная работа дви-
гателя и механизма станет невозможной. Действительно, при слу-
чайном увеличении скорости (точка g5) двигатель получает уско-
рение, продолжает разгоняться и идет вразнос, а при случайном
уменьшении скорости (точка д3) двигатель замедляется и останав-
ливается.
Часто встречаются такие совместные характеристики, на одной
части которых получается устойчивый режим, а на другой — не-
устойчивый (например, для асинхронного электродвигателя и подъ-
емного устройства).
ЭЛЕКТРОПРИВОД С ДВИГАТЕЛЯМИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
3.6.
В электроприводе используются двигатели постоянного тока не-
зависимого (ДПТНВ), последовательного и смешанного возбужде-
ния, а также двигатели с возбуждением от постоянных магнитов,
которые по своим характеристикам близки к двигателям независи-
мого возбуждения.
В созданных на базе двигателя постоянного тока независимого
возбуждения системах «управляемый выпрямитель—двигатель»
(УВ—Д) замкнутые электроприводы (ЭП) обеспечивают регулиро-
вание координат движения исполнительных органов рабочих ма-
шин и механизмов во всех режимах работы с высокими показате-
лями качества.
Электротехническая промышленность выпускает двигатели
постоянного тока основной общепромышленной серии 2П в диа-
пазоне мощностей от 0,13 до 200 кВт различного конструктивного
исполнения и с разными способами вентиляции, предназначенные
в первую очередь для работы в регулируемых ЭП. В частности, эти
двигатели имеют встроенный датчик скорости — тахогенератор
и ориентированы на питание от тиристорных преобразователей.
Усовершенствование двигателей постоянного тока привело
к разработке новой серии 4П, рассчитанной на напряжения 110
104
и 220 В, со скоростями вращения от 750 до 3000 об./мин и номи-
нальными моментами от 2 до 15 000 Н м с улучшенными удельными
энергетическими показателями, динамическими и виброакусти-
ческими свойствами. Кроме того, трудоемкость их изготовления
по сравнению с серией 2П снижена в 2,5—3 раза при уменьшении
расхода меди на 25... 30 %.
Для ЭП ряда рабочих машин и механизмов выпускаются спе-
циализированные серии ДПТНВ. Для ЭП металлорежущих стан-
ков помимо серий 2П и 4П применяются двигатели серий ПБСТ
и ПГТ (с гладким якорем), а также высокомоментные двигатели
серий ПБВ, ДК1 и ДК2 с возбуждением от постоянных магнитов.
Дли крановых механизмов выпускаются двигатели серии Д с неза-
висимым и последовательным возбуждением, исполнение которых
максимально учитывает условия их работы и предъявляемые к ним
требования. Для краново-металлургических ЭП применяются так-
же двигатели серий ДП с независимым, последовательным и сме-
шанным возбуждением.
Специализированные серии ДПТ выпускаются и для металлур-
гического производства (например, прокатные двигатели серий
НП и ПП), текстильной промышленности и ряда других отраслей
экономики.
3.6.1. Схема включения и статические
характеристики двигателя постоянного тока
независимого возбуждения
Основная схема включения ДПТ независимого возбуждения
представлена на рис. 3.7, а, где приняты следующие обозначения:
I, /в — соответственно токи в цепях обмоток якоря и возбужде-
ния, А; Е — ЭДС якоря, В; со и М — соответственно угловая ско-
рость, рад/с, и момент, Н м, двигателя; R — сопротивление якоря,
состоящее из сопротивлений обмотки якоря, добавочных полюсов,
компенсационной обмотки и щеточного контакта, Ом {Яя = гоя +
+ гд.п + А.<> + тщ); *о.в — сопротивление обмотки возбуждения, Ом;
к и Д>.в — индуктивности соответственно обмоток якоря и воз-
буждения, Гн.
На схеме (см. рис. 3.7) показаны добавочные резисторы в цепях
обмоток якоря 7?д и возбуждения RB, а также отдельные источники
питания обмоток якоря и возбуждения с напряжениями соответ-
ственно ия и (7В. При выводе уравнений для статических характе-
ристик двигателя примем следующие допущения: реакция якоря
не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитно-
105
Рис. 3.7. Схема включения [а] и характеристики (б] ДПТ независимого
возбуждения:
/.../V— участки
му моменту. Тогда уравнения для напряжения, ЭДС якоря и элек-
тромагнитного момента будут иметь вид:
U-E-IR;
(3.2)
Е- кФо;
М = кФ/,
(3.5)
(3.6)
(3.3)
(3-4)
где U — подводимое к якорю напряжение, В; R — полное сопротив-
ление цепи якоря, Ом; к — конструктивный безразмерный коэф-
фициент двигателя (см. подразд. 3.4); Ф — магнитный поток, Вб.
Подставив формулу (3.3) в (3.2), получим формулу для электро-
механической характеристики ©(/) :
U -IR
(П =----
кФ
Формулу для механической характеристики ©(/И) ДПТНВ полу-
чим из формулы (3.5) с использованием выражения (3.4):
U MR,
(!) =------.
кФ (кФ)2
В соответствии с (3.5) и (3.6) электромеханическая и механиче-
ская характеристики ДПТНВ представляют собой линейные зави-
симости угловой скорости (далее — скорости) от тока и момента,
вид которых для разных полярностей питающего якорь напряже-
ния показан на рис. 3.7, б. Здесь электромеханическая и механиче-
106
ская характеристики совмещены, что в соответствии с формулой
(3.4) справедливо в случае кФ = const. Точками являются точка А хо-
лостого хода, в которой со = ю0, а I = М - 0, и точка В короткого замы-
кания, в которой а) = 0, а / - и М - Мкз.
Режим короткого замыкания для электрической машины соот-
ветствует неподвижному состоянию якоря при поданном на двига-
тель напряжении, а не замыканию его электрических цепей между
собой или на корпус. Режим короткого замыкания называется так-
же пусковым режимом, поскольку является начальным при вклю-
чении (пуске) двигателя.
Уравнения (3.5) и (3.6) можно записать в сокращенной форме:
ш = (о0 - Дю;
U
“о =
кФ
(3.7)
(3.8)
где До — изменение угловой скорости относительно скорости иде-
ального холостого хода.
Значение Дю определяют по формуле
. IR MR
Дю -----=------.
кФ (кФ)2
(3-9)
На рис. 3.7, б показана также характеристика ДПТНВ, уравне-
ния которой получают из формул (3.5) и (3.6) при (7=0:
гр
ю = —(3.10)
кФ
MR
(кФ)2 ‘
Зависимости ю(7) и ю(М) при (7=0 также
являются линейными. Схема динамического
торможения, при котором ДПТ независимо-
го возбуждения имеет такую характеристику,
приведена на рис. 3.8 (она может называться
также схемой генератора, работающего на ав-
тономную нагрузку Я J.
Выражения (3.5) и (3.6) позволяют назвать
основные способы реализации искусствен-
ных характеристик ДПТНВ, используемых
для регулирования координат ЭП. К ним отно-
сятся изменение сопротивления добавочного
резистора в цепи якоря /?я, магнитного пото-
ка Ф и подводимого к якорю напряжения (7.
(З.И)
Рис. 3.8, Схема ди-
намического тормо-
жения ДПТ незави-
симого возбуждения
107
Значения входящих в эти выражения тока и момента определяются
только механической нагрузкой двигателя Мс и не могут быть уста-
новлены произвольно.
3.6.2. Энергетические режимы работы
двигателя постоянного тока независимого
возбуждения
Электрическая машина обладает так называемым свойством
обратимости, т. е, она может работать как двигателем, преобра-
зуя электрическую энергию в механическую, так и генератором,
осуществляя обратное преобразование энергии. При этом пере-
ход из одного режима в другой может происходить без изменения
схемы включения. При работе двигателей в генераторном режиме
на валу электрической машины создается тормозной момент, обе-
спечивающий интенсивное принудительное замедление (торможе-
ние) движения ЭП и, следовательно, расширяющий его возможно-
сти по управлению движением исполнительного органа (в частно-
сти, при его торможении и реверсе).
Энергетический режим работы электрической машины можно
определить исходя из взаимных направлений двух переменных:
электрических (ЭДС Е и тока /) или механических (момента М
и скорости со). При одинаковых направлениях скорости и момен-
та и разных направлениях тока и ЭДС имеет место двигательный
режим работы, а при противоположных направлениях скорости
и момента и одинаковых направлениях ЭДС и тока — генератор-
ный. Граничными между двигательным и генераторным являются
режимы холостого хода и короткого замыкания, в которых одна
электрическая и одна механическая переменные равны нулю. При
холостом ходе нулю равны ток и момент, а при коротком замыка-
нии — ЭДС и скорость.
Рассмотрим режимы работы ДПТ независимого возбуждения
(рис. 3.9) на различных участках его характеристик (см. рис. 3.7, 6)
при положительной полярности напряжения U.
1. Режим холостого хода (точка А) (см. рис. 3.7, б). Двигатель
не получает энергии ни из электрической сети (за исключением
электроэнергии на возбуждение), ни с вала. В этом режиме 1 = 0, Е =
= U = кФ^, М = 0, со - со0 (рис. 3.9, а),
Двигательный режим (участок/характеристики см. на рис. 3.7, б)
в диапазоне 0 < со < соо, т. е. в первом квадранте, где со и М совпадают
по направлению. В этом режиме Е < U, ток I = {U - E)IR совпадает
108
Рис 3.9. Энергетические режимы ДПТ независимого возбуждения:
а — холостой ход; б — двигательный; в — генераторный; г — короткое замыкание;
д — генераторный последовательно с сетью; е — генераторный независимо от сети;
ЭЭ — электрическая энергия; МЭ — механическая энергия
по направлению с напряжением U и не совпадает с ЭДС, электри-
ческая энергия поступает из сети, а механическая энергия с вала
двигателя передается исполнительному органу (рис. 3.9, б).
2. Генераторный режим работы параллельно с сетью или тормо-
жение с рекуперацией энергии в сеть (участок II характеристики
см. на рис. 3.7, б). На этом участке о > <о0, поэтому ЭДС больше на-
пряжения сети, ток и момент изменяют свои направления на про-
тивоположные. Двигатель получает механическую энергию от ра-
бочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии
в сеть (рис. 3.9, в).
3. Режим короткого замыкания, возникающий при <о = 0 и Е = 0.
В этом режиме согласно рис. 3.9, б: I- IK3 - U/R; электрическая энер-
гия, поступая из сети, рассеивается в виде теплоты в резисторах
якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так
как <й = 0 (рис. 3.9, г).
4. Режим генератора при его последовательном соединении
с сетью, или торможение противовключением, наступающее при
о < 0 (участок III характеристики см. на рис. 3.7, 6). За счет из-
менения направления скорости ЭДС также меняет свою поляр-
ность. Ток в якоре совпадает по направлению с напряжением
и ЭДС и определяется их суммарным действием, т. е. I- ((7 + E}/R.
109
В результате электроэнергия, поступающая из сети и вырабаты-
ваемая самим двигателем за счет механической энергии рабочей
машины, рассеивается в виде теплоты в резисторах цепи якоря
(рис. 3.9, д).
5. Режим автономного генератора, или динамическое тормо-
жение, возникающее при отключении от сети якорной цепи дви-
гателя при закорачивании ее на добавочный резистор или нако-
ротко (рис. 3. 9, е). В этом случае ток в якоре протекает под дей-
ствием ЭДС и совпадает с пей по направлению. Электроэнергия
вырабатывается за счет поступающей с вала механической энер-
гии рабочей машины и рассеивается в виде теплоты в резисторах
якорной цепи. Таким образом, торможение электропривода реа-
лизуется при трех разновидностях генераторного режима работы
ДПТНВ.
Эффективность электромеханического преобразования энер-
гии двигателя оценивается коэффициентом полезного действия,
который определяется отношением механической мощности на его
валу Рмех - к потребляемой из сети электрической мощности:
Ры= UI + UJ^
II — — f
Р Р + ДР
* эл г мех т
где ДР — потери мощности в двигателе.
ЭЛЕКТРОПРИВОД С АСИНХРОННЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ
3.7.
Электропривод с трехфазным асинхронным двигателем (АД) яв-
ляется самым массовым видом привода в промышленности, комму-
нальном и сельском хозяйстве, что обусловлено простотой изготов-
ления и эксплуатации АД, меньшими по сравнению с ДПТ массой,
габаритными размерами и стоимостью, а также высокой надежно-
стью в работе.
В основную общепромышленную серию 4А входят АД мощно-
стью от 0,06 до 400 кВт и высотами осей вращения от 50 до 355 мм,
которые выпускаются самых различных модификаций и конструк-
тивных исполнений: с повышенными пусковым моментом и сколь-
жением; с фазным ротором; встраиваемые; малошумные; со встро-
енной температурной защитой; с электромагнитным тормозом;
с подшипниками скольжения; химостойкие. Асинхронные двига-
110
толи различаются также по климатическому исполнению и катего-
рии размещения. Для комплектации ЭП большой мощности выпу-
скаются АД серий АН-2 (мощностью до 2000 кВт), АВ (мощностью
до 8 000 кВт), ДАЗО (мощностью до 1 250 кВт) и ряд других.
Для ЭП крановых механизмов производятся специализирован-
ные АД серий MTF (с фазным ротором) и MTKF (с короткозамкну-
тым ротором), а для рабочих машин и механизмов металлургиче-
ского производства — АД серий МТН (с фазным ротором) и МТКН
(с короткозамкнутым ротором). В составе этих серий выпускаются
и многоскоростные АД. Двигатели указанных серий отличаются
повышенной механической прочностью, большими пусковыми мо-
ментами при сравнительно небольших пусковых токах, хорошими
динамическими показателями. Крановые и металлургические АД
новой серии 4МТ отличаются улучшенными технике-экономиче-
скими показателями работы, расширенной шкалой мощностей, бо-
лее высоким уровнем стандартизации.
Двш атели серии АИ с мощностью от 0,75 до 160 кВт имеют уни-
фицированные по международным стандартам параметры. Кроме
того, электротехническая промышленность выпускает АД серий
В и ВР для работы во взрывоопасных и пожароопасных средах.
Основной областью применения АД вплоть до недавнего време-
ни являлся нерегулируемый ЭП. В последние годы в связи с разра-
боткой и серийным выпуском электротехнической промышленно-
стью тиристорных преобразователей частоты и напряжения стали
создаваться регулируемые асинхронные ЭП с характеристиками,
нс уступающими по своим показателям ЭП постоянного тока. При-
менение таких ЭП в силу преимуществ АД отражает прогрессив-
ную теггденцию развития автоматизированных ЭП.
3.7.1. Схема включения, статические
характеристики и режимы работы
асинхронного двигателя
Трехфазный АД имеет обмотку статора, подключаемую к трех-
фазной сети переменного тока напряжением U} и частотой /1( и об-
мотку ротора, которая может быть выполнена в двух вариантах.
Первый вариант предусматривает выполнение обычной трех-
фазной обмотки из проводников с выводами на три контактных
кольца. Такая конструкция соответствует АД с фазным ротором
(рис. 3.10, а). Она позволяет включать в роторную цепь различные
электротехнические элементы (например, резисторы для регули-
111
Рис 3,10. Схема включения АД:
а — с фазным ротором; б — с корот-
козамкнутым ротором
рования скорости, тока и момента
ЭП) и создавать специальные схемы
включения АД.
Второй вариант — это выпол-
нение обмотки заливкой алюминия
в пазы ротора, в результате чего об-
разуется конструкция, известная
под названием «беличья клетка».
Схема АД с такой обмоткой, не име-
ющей выводов, получившей назва-
ние короткозамкнутой, представле-
на на рис. 3.10, б.
Для получения выражений элек-
тромеханической и механической
характеристик АД используется его схема замещения, на которой
цепи статора и ротора представлены своими активными и индук-
тивными сопротивлениями. Особенность схемы замещения АД
в том, что в ней ток, ЭДС и параметры цепи ротора пересчитаны
(приведены) к цепи статора, что и позволяет изобразить эти две
цепи на схеме соединенными электрически, хотя в действитель-
ности связь между ними осуществляется через электромагнит-
ное поле, Приведение осуществляется с помощью коэффициента
трансформации АД по ЭДС.
3.8.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С СИНХРОННЫМИ
ДВИГАТЕЛЯМИ
Синхронные трехфазные двигатели (СД) широко применяются
в ЭП различных рабочих машин и механизмов, что объясняется их
высокими технико-экономическими показателями. СД имеют вы-
сокий коэффициент мощности costp, близкий к единице или даже
опережающий. Способность СД работать с опережающим coscp
и отдавать при этом в сеть реактивную мощность позволяет улуч-
шать режим работы и экономичность системы электроснабжения.
КПД современных СД составляет 96...98%, что на 1,0... 1,5% выше
КПД АД с теми же габаритными размерами и скоростью.
В синхронных двигателях возможно регулирование перегрузоч-
ной способности посредством регулирования тока возбуждения,
причем она меньше зависит от напряжения сети, чем в АД. Син-
хронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической ха-
рактеристикой. Преимуществом конструкции СД является наличие
112
большого воздушного зазора, вследствие чего его характеристики
и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности мон-
тажа ротора.
Электротехническая промышленность выпускает несколько
серий СД различного назначения. Для общего применения выпу-
скаются двигатели серий СД2 и СДЗ мощностью от 132 до 1 000 кВт,
СДН-2 И СДН-3 мощностью от 315 до 4000 кВт и напряжением
питания 380 и 6000 В. В приводе вертикальных насосов исполь-
зуются двигатели ВДС и ВДС2 мощностью от 4 000 до 12 500 кВт
и ВДСН мощностью от 630 до 3 200 кВт. Существуют и СД во взры-
воопасном исполнения серий СДКП2 (315...5000 кВт) и СТДП
(630... 12500 кВт). Кроме того, выпускаются СД, предназначенные
для привода быстроходных механизмов, мельниц поршневых ком-
прессоров и др.
3.8.1. Схема включения, статические
характеристики и режимы работы
синхронного двигателя
Статор СД, схема включения которого приведена на рис. 3.11, а,
выполняется аналогично статору асинхронного двигателя с трех-
фазной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока.
Конструктивно ротор СД может быть явнополюсным и неяв-
нополюсным в виде цилиндра. В качестве источника для питания
обмотки возбуждения чаще всего используется генератор посто-
янного тока 2 небольшой мощности (0,3...3,0% мощности СД), на-
зываемый возбудителем, который устанавливается на одном валу
с двигателем 1.
Регулирование тока возбуждения двигателя 1в д осуществляется
изменением с помощью резистора 3 тока возбуждения возбудителя
(4.в) 4, В современных схемах автоматического регулирования воз-
буждения (АРВ) СД широко применяются тиристорные управляе-
мые выпрямители (тиристорные возбудители).
Вращающий момент СД обусловлен взаимодействием вращаю-
щегося магнитного поля, создаваемого обмотками статора, и маг-
нитного поля, создаваемого обмоткой возбуждения или постоянны-
ми магнитами на роторе. Взаимодействие этих полей может создать
постоянный по направлению вращающий момент СД только в том
случае, когда ротор будет вращаться со скоростью магнитного поля
<оо= 2п^/р (где р — число полюсов), т.е. синхронно с вращающим-
ся полем. Таким образом, механическая характеристика СД <в(М)
113
COJ
OJO
Генераторный Двигательный
режим режим
О ^ном ^тах М
б
Рис. 3.11. Синхронный двигатель:
а — схема включения: б — вращающий момент: 1 — двигатель; 2 — генератор по-
стоянного тока; 3 — резистор; 4 — обмотка возбуждения возбудителя
(рис, 3.11, б) представляет собой горизонтальную линию с ордина-
той (о0, которая имеет место до некоторого максимального момента
нагрузки Мтах, превышение которого приводипт к выпаданию СД
из синхронизма, т.е. к нарушению синхронного вращения ротора
и магнитного поля.
Для определения максимального момента нагрузки Мтах, до ко-
торого сохраняется синхронная работа двигателя с сетью, служит
угловая характеристика СД (рис. 3.12), отражающая зависимость
момента М от угла сдвига 0 между векторами ЭДС статора Е и фаз-
ного напряжения сети
Момент СД представляет собой синусоидальную функцию
угла 0:
„ ЗССЕйтЭ _
М =----Ё---- = Мтах sin 9,
где [7ф — фазное значение напряжения сети; Е — ЭДС в обмотке
статора СД; со0 — скорость вращения магнитного поля; X! — индук-
тивное сопротивление фазы обмотки СД.
Максимального значения момент СД достигает при 0 = л/2. Угол
сдвига характеризует перегрузочную способность СД: при боль-
ших значениях 0 двигатель «выпадает» из синхронизма, при не-
больших — его работа устойчива. Номинальные значения угла 0КОМ
составляют обычно 25... 30°; им соответствует номинальный момент
Мном. Кратность максимального момента в этом случае составляет:
М
Zmax = = 2,0... 2,5.
м
114
Синхронный двигатель может
работать во всех основных энерге-
тических режимах: двигательном
и генераторном, с сетью и незави-
симо от сети.
Пуск синхронного двигателя осу-
ществляется следующим образом.
При неподвижном роторе и подклю-
чении обмотки статора к сети пере-
менного тока и обмотки возбужде-
ния к источнику постоянного тока
из-за постоянно изменяющихся вза-
имных направлений магнитных полей статора и ротора СД будет раз-
вивать не постоянный по направлению, а знакопеременный враща-
ющий момент, а следовательно, не сможет разогнаться до синхронной
скорости со0 без применения специальных мер по его запуску.
Один из способов пуска, который в настоящее время имеет
ограниченное применение, связан с использованием небольшо-
Рис. 3.12. Угловая характери-
стика СД
го по мощности вспомогательного двигателя, устанавливаемого
на валу СД. С помощью этого двигателя ротор ненагруженного СД
разгоняется до синхронной скорости, после чего осуществляется его
синхронизация с сетью. В системах «СД—генератор постоянного
тока» в качестве вспомогательного двигателя может использоваться
генератор, работающий в период пуска в двигательном режиме.
Наибольшее распространение получил другой способ пуска СД,
называемый асинхронным. Для его реализации на роторе СД уклады-
вается дополнительная пусковая обмотка, выполняемая аналогично
короткозамкнутой обмотке АД типа беличьей клетки, В этом случае
при подключении СД к сети переменного тока происходит его разбег
аналогично АД. При подсинхрон-
ной скорости СД отличающейся
от синхронной на несколько про-
центов, ток подается в обмотку
возбуждения двигателя и он втяги-
вается в синхронизм с сетью.
В зависимости от своих пара-
метров пусковая обмотка СД обе-
спечивает два основных вида ме-
ханической пусковой характери-
стики (рис. 3.13). Характеристи-
ка 1 обеспечивает более высокий
синхронизирующий (входной)
Рис. 3.13. Механические пуско-
вые характеристики [7,2]
115
Рис. 3.14. Схема возбуждения
СД с возбудителем:
7 — двигатель; 2 — обмотка воз-
буждения; 3,5 ~ резисторы; 4, 6 —
контакты; 7 — обмотка возбуждения
возбудителя; 8 — возбудитель
момент Мв1 по сравнению с характе-
ристикой 2, но меньший начальный
(пусковой) момент Мп1 < Л1п2. Выбор
вида пусковой характеристики СД
определяется конкретными услови-
ями его работы.
При пуске СД используются две
основные схемы его возбуждения.
При использовании схемы с подклю-
чением возбудителя в конце пуска,
приведенной на рис. 3.14, на первом
этапе пуска контакт 6 разомкнут,
а контакт 4 замкнут. Обмотка воз-
буждения 2 двигателя 1 оказывает-
ся замкнутой на резистор 3, и асин-
хронный пуск происходит в благо-
приятных условиях. В конце пуска
при достижении подсинхронной
скорости по команде специального реле управления, в качестве ко-
торого могут быть использованы реле частоты, тока или времени,
контакт 4 размыкается, а контакт 6 замыкается. В результате в об-
мотку возбуждения 2 подается ток от возбудителя 8 и СД втягивает-
ся в синхронизм. Регулирование тока возбуждения осуществляется
резистором 5 в цепи обмотки возбуждения 7 возбудителя.
Вторая схема возбуждения СД более простая, получившая назва-
ние схемы с постоянно (глухо) подключенным возбудителем. В этой
схеме обмотка возбуждения с самого начала пуска постоянно под-
ключена к возбудителю. При скорости <в = О,7со0 происходит само-
возбуждение возбудителя и в обмотку возбуждения СД подается
ток возбуждения, благодаря чему при достижении подсинхронной
скорости двигатель втягивается в синхронизм.
Пуск СД может происходить с ограничением пускового тока или
без него. В большинстве случаев СД мощностью до нескольких со-
тен киловатт (а иногда и более) при наличии мощной питающей
сети запускаются прямым подключением к сети без ограничения
тока. Кратность пускового тока по отношению к номинальному при
прямом пуске составляет обычно 4... 5.
При пуске СД большей мощности (несколько тысяч киловатт),
соизмеримой с мощностью питающей сети, возникает необходи-
мость ограничения пусковых токов, что достигается чаще всего ис-
пользованием добавочных резисторов, реакторов или автотранс-
форматоров.
116
Замыкая выключатель 1 в схеме
с реактором (рис. 3.15), при отклю-
ченном выключателе 2 осущест-
вляют пуск СД 4 с реактором 3
в цепи статора, обеспечивающим
снижение пускового тока до допу-
стимого уровня. При достижении
СД подсинхронной скорости за-
мыкают выключатель 2, который
шунтирует реактор, и двигатель
оказывается подключенным к сети.
Автоматизация пуска осуществля-
ется обычно в функции времени.
В некоторых схемах вместо реак-
тора применяются более дешевые
Рис. 3.15. Пуск СД с реактором:
1,2 — выключатели; 3 — реактор;
4 — синхронный двигатель
активные резисторы.
В случае использования авто-
трансформатора при пуске замыкают выключатель 1 и к СД 4 под-
водится пониженное напряжение. При достижении им подсин-
хронной скорости отключается выключатель 1, замыкается выклю-
чатель 2, и СД подключается непосредственно к выводам питающей
сети.
При использовании автотрансформатора пусковой ток снижа-
ется пропорционально квадрату отношения напряжений СД и сети,
а при использовании реакторов или резисторов — пропорциональ-
но этому отношению. Однако автотрансформаторный способ пу-
ска является более сложным, дорогостоящим и менее надежным,
по сравнению с реакторным (резисторным), и применяется реже.
При питании СД от преобразователя частоты может быть реа-
лизован так называемый частотный пуск, обеспечивающий с помо-
щью специального задатчика такой темп изменения частоты пита-
ющего СД напряжения (а следовательно, и скорости вращения его
магнитного поля), при котором ротор «успевает» за полем и двига-
тель работает синхронно с источником питания уже с самых малых
своих скоростей. Для такого способа пуска характерны также мень-
шие потери энергии в двигателе при пуске.
3.8.2. Регулирование скорости и торможение
синхронного двигателя
Основной областью применения СД до недавнего времени были
нерегулируемые по скорости ЭП большой мощности. Появление
117
статических преобразователей частоты (ПЧ) определило практиче-
ские возможности создания регулируемых синхронных ЭП по си-
стеме ПЧ — СД, основные принципы построения и свойства кото-
рой аналогичны системе ПЧ—АД. Торможение СД, как и любого
другого электродвигателя, осуществляется путем перевода его в ге-
нераторный режим.
Наиболее часто при этом используется схема динамического тор-
можения (генераторный режим при работе СД независимо от сети
переменного тока). В этой схеме обмотки статора СД отключаются
от сети переменного тока и закорачиваются на добавочные рези-
сторы (или накоротко). Обмотка возбуждения остается подключен-
ной к источнику возбуждения.
Торможение противовключением используется редко, так как
перевод СД в этот режим сопровождается значительными бросками
тока и момента, требует применения сложных схем управления.
3.8.3. Электропривод с вентильным
двигателем
Вентильным (ВД) называется синхронный двигатель с электрон-
ным коммутатором напряжения, к которому подключена обмотка
статора, и датчиком положения ротора, установленным на валу дви-
гателя и управляющим работой коммутатора в зависимости от по-
ложения ротора. Датчик положения ротора генерирует периодиче-
ские сигналы, по которым открываются и закрываются ключи ком-
мутатора, подключающего к сети соответствующие обмотки стато-
ра. В результате этого магнитное поле статора вращается с той же
средней скоростью, что и ротор.
Рассмотрим принцип действия ВД (рис. 3.16), ротор 4 которого
представляет собой постоянный магнит N — Sc датчиком положе-
ния на валу 3. Коммутатор выполнен на четырех управляемых клю-
чах 1, 2 и 6, 7 и связан с источником постоянного напряжения U.
Обмотка статора СД на схеме для упрощения анализа представлена
двумя проводниками 3 и 5.
Рассмотрим работу схемы, предположив, что управляемые клю-
чи могут открываться и закрываться по сигналам с датчика 8 в лю-
бой требуемой последовательности и на любую длительность.
Для протекания по проводникам 3 и 5 тока I в указанном направ-
лении должны быть замкнуты ключи 1 и 6 (см. рис. 3.16). В результа-
те взаимодействия магнитного поля ротора с током I в проводниках
3 и 5 на ротор будет действовать вращающий момент, поворачива-
ющий его в соответствии с правилом левой руки по часовой стрелке.
118
После поворота ротора на 180°
(на половину оборота) для сохра-
нения прежнего направления
вращающего момента на валу
двигателя направление тока
в проводниках 3 и 5 необходимо
изменить на противоположное.
Для этого с датчика 8 поступает
команда на размыкание клю-
чей 1 и 6 и замыкание ключей 2
и 7. После поворота ротора еще
на 180° по сигналу с датчика 8 за-
мыкаются ключи 1 и 6 и размы-
каются ключи 2 и 7 и т. д. Таким
образом, по сигналам с датчика
положения ротора 8 с помощью
управляемых ключей происхо-
дит коммутация тока в обмотке
Рис. 3.16. Вентильный двигатель:
7, 2, 6, 7 — управляемые ключи; 3, 5 —
проводники; 4 — ротор; 8 — датчик
статора, чем обеспечивается постоянное направление вращающего
момента двигателя при любой скорости его вращения.
Принцип действия вентильного двигателя аналогичен принци-
пу двигателя постоянного тока, у которого обмотка возбуждения
(или постоянные магниты) находится на роторе (вращающейся ча-
сти). Преимущество БД при этом заключается в том, что у него нет
механического коллекторно-щеточного узла, поэтому он является
полностью бесконтактным при возбуждении от постоянных магни-
тов или имеет два контактных кольца при использовании обмотки
возбуждения. Совпадением принципов действия двигателей посто-
янного тока и БД обусловлена схожесть их механических характе-
ристик.
На статоре БД располагается трехфазная обмотка переменного
тока, питаемая от вентильного коммутатора. Ротор, обеспечиваю-
щий возбуждение двигателя, может быть выполнен в виде постоян-
ного магнита или с обмоткой возбуждения, питаемой от источника
постоянного тока через контактные кольца и щетки.
Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов и мощно-
стью до 30 кВт обычно многополюсные. В этом диапазоне мощности
двигатели с постоянными магнитами имеют меньшие габаритные
размеры, массу и более высокий КПД по сравнению с двигателями,
имеющими обмотку возбуждения.
В БД средней и большой мощностей обычно используются СД
с обмоткой возбуждения, расположенной на роторе. В послед-
119
нее время ВД мощностью от 30 до 200 кВт стали исполняться бес-
контактными с обмоткой возбуждения, специальным образом
располагаемой на статоре вместе с трехфазной обмоткой. Ротор
в этом случае представляет собой безобмоточное зубчатое колесо
(зубчатку), через которое замыкается магнитный поток, создавае-
мый обмотками возбуждения и переменного тока. Вращается он
синхронно с вращающимся магнитным полем, создаваемым трех-
фазной обмоткой. Обмотка возбуждения в этом случае усиливает
магнитный поток и тем самым увеличивает вращающий момент
двигателя.
Коммутатор в схеме ВД представляет по принципу своего дей-
ствия управляемый инвертор, который может питаться непосред-
ственно от источника постоянного тока (сети постоянного тока,
аккумуляторной батареи) или от управляемого выпрямителя, если
двигатель подключается к сети переменного тока. В этом случае
коммутатор представляет собой преобразователь частоты со зве-
ном постоянного тока.
В тиристорных преобразователях частоты, используемых в ЭП
с ВД, коммутация тока в вентилях может быть естественной или
искусственной. Естественная коммутация тиристоров исполь-
зуется в тех случаях, когда нагрузка инвертора (трехфазная обмот-
ка СД) содержит источник ЭДС той же частоты, что и выходное
напряжение инвертора. При этом благодаря действию этой ЭДС
осуществляется коммутация вентилей, получившая название есте-
ственной.
Естественная коммутация вентилей, позволяющая использо-
вать простой по схеме инвертор, может быть осуществлена толь-
ко при сравнительно большой ЭДС двигателя, когда его скорость
не ниже 10% номинальной, В связи с этим пуск ВД затруднен
и требуются специальные меры для устранения этого недостатка.
Инвертор с искусственной коммутацией вентилей — это пре-
образователь постоянного напряжения или тока в переменный
с принудительной коммутацией вентилей, вследствие чего его ра-
бота практически не зависит от характера и режима нагрузки. Схе-
ма ВД с искусственной коммутацией, устраняющей возникающие
при пуске трудности, характерные для инверторов с естественной
коммутацией, представлена на рис. 3.17.
Регулирование скорости вентильного двигателя 4 может произ-
водиться за счет изменения напряжения на выходе выпрямителя
1 с помощью сигнала Ua от блока его управления 7, изменения утла
управления тиристорами автономного инвертором 6 и изменения
тока возбуждения /в д.
120
Уровень скорости в первых
двух случаях определяется зада-
ющим сигналом U3 C. Датчик по-
ложения ротора 5 обеспечивает
посредством сигнала U, пропор-
ционального положению ротора
двигателя, требуемую комму-
тацию тиристоров инвертора 3,
Реактор 2, включенный между
выпрямителем 1 и инвертором
3, выполняет роль фильтра.
Проблема пуска ВД не возни-
кает также при использовании
преобразователей частоты с не-
посредственной связью. В этих
преобразователях коммутация
вентилей осуществляется есте-
ственным путем при перехо-
Рис. 3.17. Вентильный двигатель
с искусственной коммутацией:
1 — выпрямитель; 2 — реактор; 3, G —
инверторы; 4 — вентильный двигатель;
5 — ротор; 7 — блок управления
де сетевого напряжения через
нуль. Однако, как уже отмечалось ранее, преобразователи частоты
с непосредственной связью обладают ограниченными регулиро-
вочными возможностями. Для получения высокого качества регу-
лирования координат в статических и динамических режимах в ЭП
с ВД используются различные обратные связи.
Выпускаемые в настоящее время вентильные двигатели серий
ЭПБ-1 и ЭПБ-2 предназначены для использования в электроприво-
дах механизмов станков и роботов.
3.8.4. Синхронный двигатель
как компенсатор реактивной мощности
Работа системы электроснабжения характеризуется потребле-
нием электроприемниками реактивной мощности. Это вызывает
дополнительные потери энергии в элементах системы, снижение
уровня напряжения и необходимость иметь повышенную пропуск-
ную способность подстанций и распределительных сетей, что сни-
жает экономичность работы системы. В связи с этим для улучше-
ния показателей работы системы электроснабжения необходимо
производить компенсацию реактивной мощности, что может осу-
ществляться несколькими способами.
Один из эффективных способов компенсации реактивной мощ-
ности связан с использованием СД, который за счет регулирова-
121
ния тока возбуждения может осуществлять генерацию реактивной
мощности в электрическую сеть. В этом случае СД работает с опе-
режающим cosip.
С увеличением тока возбуждения и ЭДС Е растет генерируе-
мая СД реактивная мощность, значение которой при этом зависит
от нагрузки СД, определяющей угол 0. При использовании СД для
компенсации реактивной мощности сети энергоснабжения обычно
требуется рассматривать в комплексе несколько вопросов. Одним
из основных вопросов является технике-экономическое обоснова-
ние использования данного способа компенсации реактивной энер-
гии. Как известно, кроме СД для этой цели могут использоваться
также статические компенсирующие устройства (конденсаторы).
3.8.5. Общие принципы управления СД
Системы управления электроприводов с СД в общем случае
должны обеспечивать пуск и синхронизацию СД с сетью, ресинхро-
низацию, регулирование скорости и торможение, регулирование
тока возбуждения. С точки зрения задач управления, условий пу-
ска и синхронизации электроприводы с СД подразделяются на три
класса: электроприводы с неизменной и медленно меняющейся на-
грузкой; электроприводы с пульсирующей нагрузкой; электропри-
воды с резкопеременной нагрузкой.
Неизменная или медленно меняющаяся нагрузка характерна
для электроприводов насосов и вентиляторов, газо- и воздуходу-
вок, разрезных пил в деревообрабатывающей промышленности,
компрессорных гурбомашин. Мощность СД в этих электроприво-
дах колеблется от нескольких десятков до нескольких тысяч кило-
ватт. Синхронные двигатели СД в таких электроприводах должны
иметь: кратность пускового момента Мп/М11ом = 0,4...0,6; кратность
входного момента Мвх/М|[<)м = 0,8... 1,2; перегрузочную способность
Мтах/Мяом= 1.5...2.
Пульсирующая нагрузка характерна для электроприводов
станков-качалок в нефтедобыче, поршневых компрессоров в хи-
мической промышленности. Мощности этих электроприводов со-
ставляют от нескольких сотен до тысяч киловатт. Требования к СД
этих электроприводов следующие: кратность пускового момента
0,4... 1,0; кратность входного момента 0,4...0,6; перегрузочная спо-
собность 1,5...2,5. В электроприводах такого класса обычно осу-
ществляется регулирование тока возбуждения СД.
Резко переменная нагрузка электроприводов характерна для
следующих рабочих машин и механизмов: дробилки, мельницы
122
горнорудных предприятий, непрерывные прокатные станы, нож-
ницы и пилы для металла, скиповые лебедки доменных печей.
Мощности этих электроприводов колеблются от нескольких сотен
до десятков тысяч киловатт. Требования к СД: кратность пускового
момента 1,2...2,0; кратность входного момента 1,0... 1,5; перегру-
зочная способность 2,5...3,5. Для улучшения показателей работы
сети электроснабжения и обеспечения устойчивости СД в электро-
приводах этого класса осуществляется регулирование возбужде-
ния СД.
Эффективным средством решения целого комплекса задач, свя-
занных с обеспечением нормальной работы самого СД и улучшени-
ем показателей работы питающей сети, является автоматическое
регулирование возбуждения. Общие задачи АРВ сводятся к следу-
ющему:
1) АРВ должно обеспечивать устойчивую работу СД при задан-
ных режимах нагрузки;
2) АРВ должно способствовать поддержанию нормального (опти-
мального) напряжения в узле нагрузки, к которому присоединены
СД, при допустимом тепловом режиме СД;
3) АРВ должно способствовать обеспечению минимума потерь
энергии в СД и системе электроснабжения;
4) АРВ должно обеспечивать повышение устойчивости СД и вы-
дачи повышенной реактивной мощности при кратковременных
(до 1 мин) снижениях напряжения за счет форсировки возбужде-
ния.
В зависимости от условий работы электропривода с СД схемы
АРВ могут выполнять одну или несколько из перечисленных функ-
ций.
Автоматическое регулирование возбуждения СД может осущест-
вляться в статических и динамических режимах по различным зако-
нам. Для статических режимов АРВ может осуществляться по одно-
му из следующих законов: постоянство cosip; постоянство вырабаты-
ваемой СД реактивной мощности; постоянство напряжения в узле
нагрузки; постоянство cos ср узла нагрузки; минимум потерь энергии.
Закон регулирования на постоянство cos ср СД целесообразен
для приводов средней и большой мощности с плавно изменяющей-
ся нагрузкой при небольших колебаниях напряжения в электри-
ческой сети. Обычно целесообразно поддерживать номинальный
cosip СД или, при отсутствии потребности в реактивной мощности,
поддерживать cosip = 1, что обеспечит минимум потерь в СД и пи-
тающей сети. Для электроприводов средней и большой мощности
с резко переменной нагрузкой на валу целесообразен закон АРВ
123
на постоянство отдаваемой реактивной мощности. Этот закон обе-
спечивает минимальные колебания напряжения на шинах подстан-
ции, а также максимум выработки СД реактивной мощности, огра-
ничиваемой тепловым режимом.
При значительных колебаниях напряжения в узлах нагрузки
применяется закон АРВ на поддержание напряжения. Этот закон
целесообразно реализовывать в мощных электроприводах с плавно
изменяющейся нагрузкой, имеющих резерв мощности. При этом
законе должно предусматриваться ограничение тока возбуждения
снизу (по условию статической устойчивости СД) и сверху (по усло-
виям нагрева СД).
Закон АРВ на поддержание ф в узле нагрузки может обеспечить
стабилизацию значения нормативного coscp на шинах подстанции,
когда другие электроприемники подстанции работают с перемен-
ной нагрузкой, а колебания напряжения не превышают допусти-
мых пределов. Этот закон также целесообразно реализовывать
на базе мощных СД, работающих с плавно изменяющейся нагруз-
кой и имеющих резерв мощности. В современных электроприводах
с СД АРВ может осуществляться и по более сложным законам.
Задачи АРВ в динамических режимах работы электропривода
заключаются в повышении динамической устойчивости СД при из-
менениях нагрузки на его валу и демпфировании качаний ротора.
Основное требование, предъявляемое к АРВ в динамических режи-
мах, заключается в высоком быстродействии систем АРВ. Оно до-
стигается за счет повышения кратности форсировки тока возбуж-
дения, использования малоинерционных элементов в системе АРВ
(например, тиристорных возбудителей) или введения в закон АРВ
форсирующих сигналов по производным координат.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ СО СПЕЦИАЛЬНЫМИ
СВОЙСТВАМИ И ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
3.9.
3.9.1. Применение в электроприводах
двигателей с расширенными
регулировочными свойствами
Далее рассмотрены электроприводы, которые условно объеди-
нены в группу электроприводов специального назначения. К ним
относятся электроприводы с перспективными видами двигателей,
использование которых позволяет получить новые свойства и ха-
124
рактеристики электропривода. Рассмотрены также электроприво-
ды, следящие с программным и адаптивным управлением.
Характер движения исполнительных органов рабочих машин от-
личается большим многообразием. Часть исполнительных органов
(крыльчатки насосов, шпиндели шлифовальных станков, барабаны
центрифуг и т.д.) совершают вращательное движение с большой
скоростью. Другая часть исполнительных органов должна совер-
шать вращательное движение с небольшой скоростью (например,
ведущие звездочки подвесных дорог, эскалаторов, барабаны подъ-
емных лебедок и т.д.). Многие исполнительные органы совершают
поступательное движение: ленты транспортеров и конвейеров, ка-
бины подъемников, стол строгального станка. Некоторые исполни-
тельные органы при выполнении ими технологических операций
должны совершать дискретное или возвратно-поступательное дви-
жение.
До недавнего времени основным типом электродвигателя оста-
вался двигатель вращательного движения. Для получения требуе-
мого характера движения исполнительных органов в этих случаях
использовались различного вида механические передачи, которые
преобразовывали вращательное движение вала двигателя в тре-
буемое движение исполнительного органа. Часто такие механиче-
ские передачи оказываются громоздкими, дорогостоящими, нена-
дежными, что снижает технико-экономические показатели работы
электропривода и рабочей машины в целом.
Прогрессивными явлениями в развитии электромашинострое-
ния и электропривода стали разработка и практическое примене-
ние электродвигателей других видов движения: поступательного
и возвратно-поступательного, дискретного (шагового), вращатель-
ного с малой скоростью. Применение таких двигателей позволя-
ет упростить, а в ряде случаев исключить механическую переда-
чу, улучшить компоновку кинематической цепи рабочей машины
и снизить в ней потери мощности. Другими словами, применение
двигателей с характером движения, соответствующим требуемому
движению исполнительных органов, позволяет существенно по-
высить технике-экономические показатели рабочих машин и их
электроприводов. К таким двигателям в первую очередь относятся
линейные и шаговые.
Часто от исполнительных органов рабочих машин требует-
ся быстрое изменение скорости и направления их движения или,
другими словами, их высокое быстродействие. Для обеспечения
характера движения электродвигатели должны иметь минимально
возможные собственные электромагнитную и механическую инер-
125
ционности и развивать значительные вращающие моменты. К дви-
гателям с этими свойствами относятся двигатели с гладким якорем
и малоинерционными якорями (роторами) — полыми цилиндриче-
скими, дисковыми или удлиненными малого диаметра.
Как уже отмечалось ранее, высокими и легко реализуемыми ре-
гулировочными свойствами обладает ДПТ независимого возбуж-
дения. Однако у него есть существенный недостаток — наличие
коллектора, что, с одной стороны, усложняет его эксплуатацию,
а с другой — повышает массу, габаритные размеры, стоимость элек-
трической машины и расход дефицитной меди. Стремление соче-
тать высокие регулировочные свойства ДПТ независимого возбуж-
дения с низкой стоимостью и простотой двигателей переменного
тока привело к созданию и широкому внедрению так называемого
вентильного двигателя.
3.9.2. Электропривод с линейными
электродвигателями
Исполнительные органы подъемно-транспортных машин, меха-
низмов подач металлообрабатывающих станков, кузнечных прессов,
молотов совершают поступательное движение. При использовании
для их привода двигателей вращательного движения требуется ме-
ханическая передача (кривошипно-шатунный механизм, передача
винт—гайка и т.д.), преобразующая вращательное движение вала
двигателя в поступательное движение исполнительного органа.
Применение линейных двигателей, движущаяся часть которых
совершает поступательное линейное движение, позволяет упро-
стить или полностью исключить механическую передачу и за счет
этого повысить экономичность и надежность рабочей машины или
механизма в целом. Кроме того, появление линейных двигателей
позволило решить ряд важных технических проблем (например,
создание высокоскоростного электрического транспорта и устано-
вок для перекачки жидких металлов).
Линейные двигатели могут быть асинхронными, синхронными
и постоянного тока, повторяя по принципу действия соответству-
ющие двигатели вращательного движения.
Большое распространение получили линейные асинхронные
двигатели (ЛАД), представление об устройстве которых можно полу-
чить, если мысленно разрезать статор 4 и ротор 1 с обмотками 3 и 2
обычного АД (рис. 3.18) вдоль оси по образующей ОО' и развернуть
их в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представля-
ет собой ЛАД, движущуюся часть которого называют вторичным
126
элементом. Если обмотки статора
ЛАД подключить к сети переменно-
го тока, образуется магнитное поле,
ось которого будет перемешаться
вдоль воздушного зазора со скоро-
стью у пропорциональной частоте
питающего напряжения f и длине
полюсного деления т:
v = 2т/,.
Рис. 3.18, Конструктивная схе-
ма линейного АД:
7 — ротор; 2, 3 — обмотки АД; 4 —
статор
Магнитное поле, перемеща-
ющееся вдоль зазора, пересекает
проводники обмотки 2 вторичного
элемента и индуцирует в них ЭДС,
под действием которой по обмотке
начнут проходить токи. Взаимодей-
ствие этих токов с магнитным полем приведет к появлению силы,
действующей на вторичный элемент по правилу Ленца в направ-
лении перемещения магнитного поля. Вторичный элемент под
действием этой силы начнет двигаться с некоторым отставанием
(скольжением) от магнитного поля, как и в обычном АД.
Представленная на рис. 3.19 конструкция представляет собой
ЛАД с односторонним статором и вторичным элементом одного
с ним размера. В зависимости от назначения ЛАД его вторичный
Рис. 3.19. Линейные двигатели:
а — с длинным вторичным элементом; б — с коротким вторичным элементом; в —
двухстаторный; г — с сердечником; д — со вторичным элементом в виде полосы
127
элемент может быть длиннее статора или короче его. В первом
случае ЛАД получили название двигателей с коротким статором,
а во втором случае — с коротким вторичным элементом.
Вторичный элемент ЛАД не всегда снабжается обмоткой. Часто
(и в этом одно из достоинств ЛАД) в качестве вторичного элемента
используется лист, полоса или рельс, выполненные из стали, меди
или алюминия. Такой вторичный элемент может устанавливаться
между двумя статорами (ЛАД с двусторонним статором) или между
статором и ферромагнитным сердечником (ЛАД с односторонним
статором и сердечником). Линейный двигатель со вторичным эле-
ментом в виде полосы аналогичен обычному АД с массивным фер-
ромагнитным ротором.
Обмотки статора ЛАД имеют те же самые соединения, что и обыч-
ные АД, и подключаются к сети трехфазного переменного тока.
Линейные двигатели могут работать и в обращенном режиме
движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается
статор. Такой линейный двигатель (называемый двигателем с под-
вижным статором) обычно применяется на электрическом транс-
порте. Рассмотрим некоторые примеры использования ЛАД.
Линейным двигатель, установленный на рельсовом транспорт-
ном средстве, представлен на рис. 3,20, а. Двигатель с двусторонним
статором 1 крепится на тележке 3 подвижного состава. Вторичным
элементом является укрепленная между рельсами металлическая
полоса 2. Напряжение на статор двигателя подается с помощью
скользящих контактов (троллеев). Линейные двигатели, у которых
вторичным элементом служит рельс или другой элемент несущей
Рис. З.ЭО. Использование ЛАД:
а — на транспорте; б — для привода конвейера; 7 — двусторонний статор; 2 — ме-
таллическая полоса; 3 — тележка; 4 — бункер; 5 — сыпучий материал; 6 — металли-
ческая лента; 7 — барабан
128
конструкции, используют для монорельсовых дорог и механизмов
передвижения кранов.
На рис. 3.20, б показан ЛАД, предназначенный для механизмов
транспортирования грузов. Конвейер, служащий для перемеще-
ния из бункера 4 сыпучего материала 5, состоит из металлической
ленты 6 и барабанов 7. Металлическая лента конвейера проходит
внутри статоров 1 ЛАД, являясь его вторичным элементом. При ис-
пользовании ЛАД в этом случае устраняется проскальзывание лен-
ты и появляется возможность увеличить скорость ее движения.
Линейные двигатели применяются также в электроприводах
сваезабивных молотов, прессов, ткацких станков, вязальных ма-
шин, слитковозов, толкателей и многих других рабочих машин.
В настоящее время ЛАД разработаны на мощности от несколь-
ких ватт до нескольких сотен киловатт и скорости движения
до 100... 150 км/ч.
Линейные двигатели постоянного тока (ЛДПТ) обычно приме-
няются для обеспечения небольших перемещений, когда требу-
ются значительные перестановочные усилия и высокая точность
движения. Линейные двигатели постоянного тока, как и двигатели
вращательного движения, позволяют при необходимости просты-
ми средствами регулировать скорость перемещения исполнитель-
ных органов. Чаще всего ЛДПТ применяются в приводах подач раз-
личных станков.
Линейные синхронные двигатели (ЛСД) находят наибольшее
применение при создании высокоскоростного электрического
транспорта, где достоинства ЛСД проявляются наиболее значимо.
Причина заключается в том, что по условиям нормальной эксплуата-
ции такого транспорта необходим большой зазор между подвижной
частью и вторичным элементом. Линейный асинхронный двигатель
имеет при этом низкий коэффициент мощности, и его применение
оказывается экономически невыгодным; ЛСД, наоборот, допускает
наличие большого воздушного зазора между статором и вторичным
элементом и работает при этом с coscp, близким к единице.
Применение ЛСД в высокоскоростном электрическом транс-
порте обычно сочетается с использованием магнитной подвески
вагонов и сверхпроводящих магнитов и обмоток возбуждения, что
позволяет получить комфортность движения и хорошие экономи-
ческие показатели работы подвижного состава. Мощности ЛСД
в электрическом транспорте достигают нескольких тысяч киловатт,
а скорости движения — 400...500 км/ч.
Линейные двигатели имеют широкие перспективы для дальней-
шего развития.
129
3.9.3. Следящий электропривод
Следящим называется электропривод, который обеспечивает
с заданной точностью движение исполнительного органа рабочей
машины в соответствии с произвольно изменяющимся сигналом
управления. Этот сигнал управления может изменяться в широких
пределах по произвольному временному закону и иметь как меха-
ническую, так и электрическую природу. Чаще всего входной сиг-
нал представляет собой скорость или угол поворота оси или вала,
Следящий электропривод применяется для антенн радиотелеско-
пов и систем спутниковой связи, в копировальных станках, для
привода исполнительных органов роботов и манипуляторов, в ав-
томатических измерительных устройствах и др.
Структурная схема следящего электропривода представлена
на рис. 3.21. Он состоит из датчиков 1 и 2 входного и выходного
сигналов, измерителя рассогласования 3, системы управления 4
и электродвигателя с механической передачей 5, который приводит
в движение исполнительный орган 6 рабочей машины.
Датчики входной и выходной величин преобразуют механиче-
ские величины (скорость или угол поворота вала) в электрические:
входной сигнал !7ВХ и сигнал обратной связи Uo с. Измеритель рас-
согласования 3, алгебраически суммируя эти сигналы, вырабатыва-
ет сигнал рассогласования (7ВХ, поступающий в систему управления
электродвигателем 4. Следящий электропривод по своей структуре
представляет собой замкнутую автоматическую систему.
Система управления 4 состоит из усилителя (регулятора) и си-
лового преобразователя, которые обеспечивают необходимое
преобразование сигнала рассогласования в напряжение U, по-
ступающее на двигатель, За счет выбора схем усилителя (регулято-
ра) и преобразователя или введения корректирующих устройств
обеспечивается необходимый закон изменения этого напряжения
во времени u(t),
Электроэнергия
Рис. 3.21. Структурная схема следящего электропривода:
7, 2 — датчики соответственного входного и выходного сигналов; 3 — измеритель
рассогласования; 4 — система управления; 5 — электродвигатель с механической
передачей; 6— исполнительный орган рабочей машины
130
Электродвигатель и механическая передача 5 в соответствии
с законом изменения u(t) обеспечивают перемещение исполни-
тельного органа 6. Иногда двигатель с механической передачей
называют исполнительным механизмом (сервомеханизмом). Сле-
дящие электроприводы классифицируются по нескольким призна-
кам. Если следящий электропривод предназначен для воспроизве-
дения с заданной точностью скорости движения исполнительного
органа, то он называется скоростным, а если положения — то по-
зиционным.
По виду характеристики системы управления различают следя-
щие электроприводы с непрерывным или прерывным управлени-
ем. Последние, в свою очередь, подразделяются на релейные и им-
пульсные.
Отличительной особенностью следящих электроприводов не-
прерывного действия является непрерывное управление электро-
двигателем, пропорциональное сигналу рассогласования.
Следящий электропривод релейного действия характеризует-
ся тем, что напряжение на двигатель подается только в том случае,
когда сигнал рассогласования достигает определенного значения.
До этого значения сигнала рассогласования напряжение на двига-
тель не подается и он неподвижен, Поэтому релейный следящий
электродвигатель имеет определенную зону нечувствительности.
Импульсный следящий электропривод отличается тем, что
управляющее воздействие на электропривод подается в виде им-
пульсов напряжения, амплитуда, частота или скважность которых
изменяются в зависимости от сигнала рассогласования. В этих слу-
чаях говорят соответственно об амплитудно-частотной и широтно-
импульсной модуляции сигнала управления.
В следящем электроприводе используются двигатели перемен-
ного и постоянного тока, различные виды усилителей (электро-
машинные, магнитные, полупроводниковые, пневматические, ги-
дравлические), датчики скорости и положения.
3.9.4. Электропривод с программным
управлением
Электроприводом с программным управлением называется элек-
тропривод, с помощью которого обеспечивается (воспроизводится)
движение исполнительного органа рабочей машины по определен-
ной наперед заданной программе. Чаще всего электроприводы та-
кого типа требуются при обработке деталей на металлообрабатыва-
ющих станках. Например, партия деталей должна пройти обработку
131
С ПУ
Рис. З.Р2. Структурная схема
электропривода с програм-
мным управлением
на многооперационном станке, по-
зволяющем осуществлять сверление,
фрезерование, расточку и другие тех-
нологические операции. При исполь-
зовании программного управления
перед обработкой детали соответству-
ющим образом составляется програм-
ма, в которой задаются порядок смены
инструмента, необходимые перемещения стола, на котором крепится
деталь, режимы работы инструментов и другие технологические дан-
ные. После этого электроприводы исполнительных органов станка
реализуют выполнение этой программы.
Укрупненная структурная схема электропривода с програм-
мным управлением представлена на рис. 3.22. Она содержит две ча-
сти: программное устройство (ПУ), вырабатывающее сигнал управ-
ления Un на электропривод (ЭП), который обеспечивает отработку
этого сигнала управления, перемещая соответствующим образом
исполнительный орган (ИО). Совокупность программного устрой-
ства (ПУ) и электропривода (ЭП) обычно называют системой про-
граммного управления (СПУ).
В качестве электропривода в СПУ могут использоваться все рас-
смотренные ранее виды электроприводов постоянного и перемен-
ного тока. Они могут выполняться разомкнутыми и замкнутыми,
с аналоговыми и цифровыми элементами управления и т. д. Суще-
ствующие программные устройства подразделяются на две группы:
нечисловые (цикловые) и числовые программные устройства.
3.9.5. Электропривод с адаптивным
управлением
До сих пор рассматривались системы электропривода, для кото-
рых считались полностью известными и определенными все харак-
теристики исполнительных органов рабочих машин и возмущения,
на них действующие. В ряде случаев эти характеристики и возму-
щения могут изменяться с течением времени в самых широких
пределах и непредвиденным образом. Кроме того, имеются такие
рабочие машины и производственные механизмы, характеристи-
ки которых заранее практически неизвестны или не могут быть
достаточно просто определены. В этих случаях для обеспечения
качественного технологического процесса рабочей машины необ-
ходимо автоматически в процессе работы пополнять информацию
о реальном его ходе и поступающих возмущениях в целях коррек-
132
ции (дополнительной настройки) работы электропривода. Эта кор-
рекция достигается путем изменения параметров или структуры
системы управления электропривода или закона управления, ею
вырабатываемого.
Электропривод, в котором способ функционирования систе-
мы управления автоматически и целенаправленным образом из-
меняется для осуществления наилучшего хода технологического
процесса рабочей машины, называется электроприводом с адап-
тивным, или самоприспосабливающимся, управлением. Другими
словами, электропривод с адаптивным управлением обеспечива-
ет наилучший ход технологического процесса по заданному по-
казателю качества при изменяющихся возмущениях и условиях
работы.
Автоматическое изменение способа функционирования систе-
мы управления электропривода называется адаптацией, или само-
приспособлением.
Электропривод с адаптивным управлением, в котором целена-
правленно изменяются параметры системы управления, называ-
ется самонастраивающимся; если изменяются параметры и струк-
тура системы управления, то он называется самоорганизующимся;
если изменяются параметры, структура и закон управления с ис-
пользованием опыта функционирования электропривода, то он
называется самообучающимся. В процессе работы электропривода
с адаптивным управлением решаются три основные задачи:
1) получение информации о ходе технологического процесса
и возмущающих воздействиях;
2) выработка управляющего воздействия;
3) изменение (настройка) параметров или структуры системы
управления электропривода в соответствии с выработанным управ-
ляющим воздействием.
Эти задачи в электроприводах с адаптивным управлением могут
решаться разными способами.
1. Информация о характеристиках технологического процесса
и внешних воздействиях на него может быть получена в услови-
ях нормального функционирования рабочей машины и электро-
привода или путем подачи на вход системы специальных пробных
сигналов. Во втором случае необходимо иметь генератор пробных
сигналов, например гармонического вида, с помощью которого
можно получать частотные характеристики системы. В случае нор-
мального функционирования информация может быть получена
измерением внешних воздействий или введением обратной связи
по регулируемой величине.
133
Структурная схема, в которой реализуется первый способ, при-
ведена на рис, 3,23, а.
Внешние воздействия /1Г f2, f3, действующие на рабочую маши-
ну (РМ), поступают на вход устройства адаптивного управления
(УАУ). Управляющий сигнал этого устройства действует на систе-
му управления (СУ) электропривода, вызывая такие изменения
ее параметров или структуры, при которых происходит компен-
сация внешних возмущений за счет соответствующего измене-
ния управляющего воздействия Ху на двигатель М. Схемы этого
вида просты, позволяют быстро реагировать на измерение воз-
мущения, но не позволяют измерить все возможные виды возму-
щений.
Структурная схема с замкнутой цепью самонастройки (с обрат-
ной связью) приведена на рис. 3.23, б. В этой схеме УАУ получает
информацию о реальном ходе технологического процесса по зна-
чению регулируемой координаты Хрег и вырабатывает соответству-
ющий управляющий сигнал для системы управления электропри-
водом.
В некоторых электроприводах с адаптивным управлением ис-
пользуются оба способа получения информации.
2. Управляющий сигнал на систему управления электропривода
формируется по заданному показателю качества технологического
процесса, например по наивысшей производительности рабочей
машины, минимальной себестоимости обработки изделия на стан-
ке и т. д. В общем случае УАУ должно обеспечивать или поддержание
этого показателя качества на заданном уровне (системы стабилиза-
ции), или получение экстремального его значения (экстремальные
системы).
Системы стабилизации чаще всего выполняются с использова-
нием модели технологического процесса. Целью их работы явля-
hhh
Рис. 3.23. Способ получения информации о ходе технологического про-
цесса:
а — измерением внешних воздействий; б — с помощью обратной связи
134
ется обеспечение близости характеристик реального технологиче-
ского процесса рабочей машины и целесообразного (оптимально-
го) процесса, который воспроизводится с помощью модели этого
технологического процесса.
В экстремальных системах настройка параметров системы
управления осуществляется так, чтобы заданный показатель каче-
ства технологического процесса достиг экстремального значения.
В настоящее время имеется большое количество экстремальных
систем, которые могут быть классифицированы по различным при-
знакам.
По способу получения информации о текущем значении показа-
теля качества экстремальные системы подразделяются на поиско-
вые и беспоисковые. В поисковых системах нахождение показате-
ля качества достигается за счет введения в систему дополнительных
поисковых сигналов, а в беспоисковых (аналитических) системах
этот показатель рассчитывается аналитически с помощью специ-
ального вычислительного устройства.
Поисковые системы по способу поиска, в свою очередь, подраз-
деляются на системы с автоколебательным и принудительным по-
иском экстремума. Если поисковые сигналы генерируются самой
системой, то она относится к экстремальным системам с автоколе-
бательным поиском экстремума. При использовании специального
источника поисковых сигналов экстремальная система относится
к системам с принудительным поиском экстремума.
По количеству переменных, от которых зависит показатель ка-
чества, экстремальные системы подразделяются на одномерные
и многомерные. Экстремальные системы могут также классифи-
цироваться по методам поиска алгоритма нахождения экстремума,
среди которых применение нашли метод Гаусса — Зайделя, метод
градиента, метод наискорейшего спуска и ряд других.
3. Адаптация электропривода осуществляется вследствие из-
менения коэффициентов усиления, постоянных времени и других
параметров звеньев и структуры его системы управления, которое
происходит за счет сигнала управления Z. В качестве примера реа-
лизации экстремальной системы рассмотрим электропривод пода-
чи шлифовального станка. Особенностями процесса шлифования
деталей на станке являются разное, не предсказуемое заранее зна-
чение припуска деталей и износ шлифовального круга в процессе
обработки деталей. Наилучшая производительность станка дости-
гается при постоянной и максимально допустимой по условиям ка-
чества обработки нагрузке на шлифовальный круг. Для этого ско-
рость съема металла должна регулироваться в функции размеров
135
припуска и диаметра. В рассматриваемом примере это достигается
путем реализации адаптивного управления электроприводом по-
перечной подачи станка.
По сравнению с обычными шлифовальными станками, имею-
щими обычные (не адаптивные) электроприводы, станок с адап-
тивным управлением электроприводом поперечной подачи обе-
спечивает повышение производительности примерно на 30 % при
соблюдении той же точности обработки деталей.
РАСЧЕТ МОЩНОСТИ, ВЫБОР
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И ПРОВЕРКА
ИХ ПО НАГРЕВУ
3.10.
Правильный выбор мощности двигателя для привода должен
удовлетворять требованиям экономичности, производительно-
сти и надежности рабочей машины. Установка двигателя большей
мощности, чем это необходимо по условиям привода, вызывает
излишние потери энергии при работе машины, обусловливает до-
полнительные капитальные вложения и увеличение габаритных
размеров двигателя. Установка двигателя недостаточной мощности
снижает производительность рабочей машины и делает ее рабо-
ту ненадежной, а сам двигатель в подобных условиях легко может
быть поврежден.
Двигатель должен быть выбран так, чтобы его мощность исполь-
зовалась наиболее полно. Во время работы двигатель должен на-
греваться примерно до предельно допустимой температуры, но не
выше ее. Кроме того, двигатель должен нормально работать при
возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент,
требуемый для данной рабочей машины. В соответствии с этим
мощность двигателя выбирается в большинстве случаев на осно-
вании условий нагрева (выбор мощности по нагреву), а затем про-
изводится проверка соответствия перегрузочной способности дви-
гателя условиям пуска машины и временным перегрузкам. Иногда
(при большой кратковременной перегрузке) приходится выбирать
двигатель по требуемой максимальной мощнос ти. В подобных усло-
виях длительная мощность двигателя часто полностью не использу-
ется.
Выбор мощности двигателя для привода с продолжительным
режимом работы. При постоянной или мало изменяющейся на-
грузке на валу мощность двигателя должна быть равна мощно-
сти нагрузки. Проверки на нагрев и перегрузку во время работы
136
не нужны. Однако необходимо проверить, достаточен ли пусковой
момент двигателя для пусковых условий данной машины.
Мощность продолжительной нагрузки ряда хорошо изученных
механизмов определяется на основании проверенных практикой
теоретических расчетов.
Например, мощность двигателя Р, кВт, для вентилятора опреде-
ляется по формуле
V^P
1 ОООрве„г|ги.р
где v— скорость нагнетания или всасывания воздуха, м3/с; Др —
перепад давлений, Па; иДр — полезная мощность вентилятора;
1 000 — коэффициент для перевода мощности в киловатты; г[вен —
КПД вентилятора (у крыльчатых вентиляторов т|вен = 0,20...0,35,
у центробежных — до 0,8); Г|пер — КПД передачи от двигателя к вен-
тилятору.
Во многих случаях мощность двигателя приводов с продолжи-
тельным режимом работы рассчитывается по эмпирическим фор-
мулам, проверенным длительной практикой. Для малоизученных
приводов продолжительной нагрузки мощность двигателя часто
определяется на основании удельного расхода энергии при выпу-
ске продукции или экспериментально путем испытания привода.
Выбор мощности двигателя при кратковременном и повтор-
но-кратковременном режимах работы. При кратковременном,
повторно-кратковременном и продолжительном с переменной на-
грузкой режимах важно знать закон изменения во времени превы-
шения температуры 9 двигателя над температурой окружающей
среды.
Электрическая машина с точки зрения нагрева представляет со-
бой сложное тело. Тем не менее при расчетах, не требующих боль-
шой точности, можно считать электрическую машину однородным
телом. Это дает возможность применить к ней упрощенное уравне-
ние нагрева
G>odt - Cd9 + HOdf,
где — теплота, выделяющаяся в машине в единицу времени; С —
теплоемкость машины; Н — ее теплоотдача.
Так как при t —> оо изменения температуры нет, т.е, =
= HOinnXdf и 0[П(,х = Qo/Н, то можно записать:
9maxdf = —d9 + Odf.
137
Решая это уравнение методом разделения переменных, полу-
чаем
Ае-(Л = 0тах - 9,
где т = С/Н — постоянная времени нагрева машины, определяемая
экспериментально.
При t 0 начальное превышение температуры 9 = 90, так что по-
стоянная А - 0max - 0о и закон нарастания превышения темпера гуры
машины имеет вид
9 = 9,„м -(0т« -0о)е
Таким образом, в данном случае, как и при 90 - 0, превышение
температуры возрастает по экспоненциальному закону, стремясь
к значению 0шах. Начальное превышение температуры изменяет
только скорость изменения температуры, а не характер процесса.
Наибольшее допустимое для данной машины превышение тем-
пературы равно 9НОМ. Прямая 0 = 0НОМ, параллельная оси абсцисс,
пересекает в различных точках кривые 0(0, соответствующие раз-
личным значениям мощности нагрузки Рк электродвигателя. Аб-
сцисса точки пересечения определяет тот промежуток времени tk,
в течение которого мощность двигателя может быть временно рав-
на мощности Рк, представляющей собой перегрузку по отношению
к его номинальной мощности в продолжительном режиме.
График нагрева, асимптотически приближающийся к 0НОМ, соот-
ветствует номинальной мощности двигателя Рном. При нагрузках,
меньших Р„ОМ1 мощность двигателя полностью не используется. Од-
нако если двигатель загружается на короткое время, то по существу
он тоже используется не полностью. Целесообразно его кратковре-
менно перегрузить, и чем меньше продолжительность работы, тем
больше должна быть эта перегрузка,
Предел повышения нагрузки двигателя по мере уменьшения
продолжительности включения определяется мгновенной пере-
грузочной мощностью двигателя, зависящей от его электрических
свойств (максимального момента у асинхронного двигателя, усло-
вий коммутации у машин постоянного тока и т.п.). При повторно-
кратковременном режиме двигатель попеременно то нагревается,
то охлаждается. Изменение его температуры в течение времени
каждого цикла зависит при этом от предыдущего теплового состоя-
ния. Зависимость нагрева и охлаждения машины от времени в по-
добных условиях показана на рис. 3.24, а. б.
Конечное превышение температуры каждой данной части цик-
ла равно начальному превышению температуры для последующей
138
Рис. 3.24. Графики зависимости (a, б) нагрева и охлаждения машины
от времени
части цикла. Если во время той или иной части цикла наступает зна-
чительное изменение условий охлаждения (остановка двигателя
или заметное изменение частоты вращения), то изменяется посто-
янная времени т = С/Н нагрева двигателя, что должно быть учтено
при построении графиков (рис. 3.25).
Определение мощности двигателя по условиям нагрева по-
средством построения графиков нагрева (или соответствующим
аналитическим методом) требует значительной затраты времени
и не дает точных результатов. Здесь эти построения приведены для
того, чтобы наглядно показать картину изменения нагрева двигате-
ля при переменной нагрузке.
В большинстве случаев для выбора мощности двигателя при-
меняются более простые методы, в частности метод эквивалент-
ного тока. В основу этого метода положено допущение, что при
переменной нагрузке двигателя его средние потери должны быть
равны потерям при продолжительной (номинальной) нагрузке.
Как известно, мощность потерь двигателя складывается из посто-
янных Р1ЮСГ и переменных Ряер мощностей. Мощность постоянных
потерь равна сумме мощности потерь на трение, в магнитопроводе
(у асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока с парал-
Рис. 3.25. Нагрев двигателя при повторно-кратковременном режиме
139
лельным возбуждением), на возбуждение у синхронных двигателей
и двигателей с параллельным возбуждением.
Мощность переменных потерь можно считать пропорциональ-
ной квадрату рабочего тока двигателя и сопротивлению соответ-
ствующей обмотки Я, причем приближенно можно считать послед-
нее постоянным, Если ток изменяется в течение отдельных проме-
жутков времени, то за все рабочее время Et = Т суммарные потери
энергии в двигателе будут составлять:
(^пост + (Люст + ^2 )^2 +--- + (£’пост + + • • • + (Люст +
При эквивалентной неизменной нагрузке током 1.>к за то же вре-
мя Т потери энергии в двигателе должны составить:
(Р„ОС,.+^)Т.
Нагревание двигателя, обусловленное потерями, в обоих случа-
ях должно быть одинаковым. На этом основании определяем экви-
валентный ток:
J _ I ffil + +
У t[ + t2 + ... + tk + .t. + tn
Зная эквивалентный ток, номинальное напряжение и номиналь-
ный коэффициент мощности, можно определить номинальную
мощность двигателя:
^ном — ^ном^эк COS(pHOM.
Метод эквивалентного тока можно применять лишь при посто-
янстве мощности потерь в магнитопроводе и на трение, а также
сопротивлений обмоток в течение всего рабочего времени. Такому
условию, например, не удовлетворяет двигатель с последователь-
ным возбуждением, у которого при изменениях нагрузки сильно
изменяются поток и частота вращения (следовательно, мощность
потерь в стали магнитопровода и на трение).
В ряде случаев условия нагрузки определяют непосредственно
момент, требуемый от двигателя, а не ток. В этих случаях можно
пользоваться методом эквивалентного момента: у всех электро-
двигателей вращающий момент пропорционален произведению
тока и потока. У двигателей переменного тока можно приближен-
но считать постоянным коэффициент мощности. Наконец, маг-
нитный поток можно считать практически постоянным у всех дви-
гателей, кроме двигателей с последовательным и смешанным воз-
буждением. При таких упрощениях можно считать вращающий
момент
140
М
1 хпр.эк
^вр ~
где кпр — коэффициент пересчета момента к току, постоянная вели-
чина.
Следовательно,
М^+М^+М^+М^
+ *2 + ... + ffc + ... + tn
По эквивалентному моменту и номинальной угловой скорости
двигателя соном рассчитывается номинальная мощность двигателя:
Р — Д4 со
1 ном 2 2вр,ЭКИНОМ'
где Мпр.ЛХ — вращающий момент эквивалентного тока.
Выбрав номинальную мощность двигателя на основании рас-
чета по методу эквивалентного тока или эквивалентного момента,
необходимо затем проверить, достаточен ли максимальный момент
Мтах двигателя для того, чтобы удовлетворить требованиям крат-
ковременных перегрузок данного привода. Иными словами, долж-
но быть выполнено условие: коэффициент перегрузки двигателя
Чюм должен быть больше отношения максимального момента на-
грузки к номинальному моменту двигателя:
М
У s —trndX
М1|ом
Выбор вида и типа двигателя. При длительной неизменной на-
грузке задача выбора вида двигателя (постоянного тока, асинхрон-
ного, синхронного) относительно проста. Для подобного привода,
не требующего регулирования скорости, правила устройства элек-
троустановок (ПУЗ) рекомендуют независимо от мощности при-
менять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем,
что современный синхронный двигатель пускается в ход так же, как
асинхронный, а его габаритные размеры меньше и работа эконо-
мичнее, чем асинхронного двигателя той же мощности (выше costp,
больше максимальный момент).
Но если электродвигатель должен работать в условиях регулиру-
емой частоты вращения, частых пусков, выбросов и сбросов нагруз-
ки, то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия
привода с особенностями механических характеристик различных
видов электродвигателей. Принято различать естественные и ис-
кусственные механические характеристики. Естественные харак-
теристики соответствуют номинальным условиям его включения,
нормальной схеме соединений и отсутствию каких либо добавоч-
141
ных элементов в цепях двигателя. Искусственные характеристики
получаются при изменении напряжения на двигателе, включении
добавочных элементов в цепи двигателя и соединении этих цепей
по специальным схемам.
Важным критерием для оценки механических характеристик
служит их жесткость. Жесткость может быть различной для отдель-
ных участков характеристики. В зависимости от значения жестко-
сти механические характеристики подразделяются: на абсолютно
жесткие (синхронные двигатели); жесткие, у которых изменение
частоты вращения мало: а = 40... 10 (линейная часть характеристики
асинхронного двигателя, характеристика двигателя параллельного
возбуждения); мягкие с большим изменением частоты вращения,
у которых а < 10 (характеристика двигателя последовательного воз-
буждения, искусственная характеристика асинхронного двигателя
с фазным ротором, искусственная характеристика двигателя посто-
янного тока параллельного возбуждения).
Требования к жесткости механической характеристики в ряде
случаев служат основанием для выбора вида двигателя. Например,
для подъемно-транспортных механизмов желательна мягкая ха-
рактеристика, а для станов холодной прокатки стали нужна очень
жесткая характеристика.
При частых пусках и непостоянной нагрузке наиболее надежным,
простым в эксплуатации и дешевым является асинхронный двигатель
с короткозамкнутым ротором. Двигатель с фазным ротором доро-
же, его обслуживание сложнее, габаритные размеры больше, a cosip
меньше (из-за большего воздушного зазора). Преимущества фазного
ротора в отношении пускового момента незначительны по сравне-
нию с короткозамкнутым ротором, имеющим двойное «беличье ко-
лесо». Поэтому двигатели с контактными кольцами устанавливают-
ся лишь при наличии особых требований к пусковому моменту или
пусковому току (требований, связанных с ограниченной мощностью
трансформаторной подстанции и характером их нагрузки).
Таким образом, для мощностей до 100 кВт при нерегулируемом
приводе наиболее распространен асинхронный короткозамкнутый
двигатель. При больших мощностях, если невозможно примене-
ние короткозамкнутого асинхронного двигателя, устанавливается
асинхронный двигатель с фазным ротором.
В недалеком прошлом для регулирования частоты вращения
асинхронных двигателей широко применялись только два (несо-
вершенных) метода: включение резисторов в цепи ротора и пере-
ключение числа пар полюсов обмотки статора. Первый метод эко-
номически оправдан лишь при узких пределах регулирования и по-
142
стоянстве момента на валу двигателя, а второй обеспечивает лишь
ступенчатое регулирование и практически применяется для метал-
лорежущих станков при небольших мощностях,
В настоящее время положение существенно изменилось благо-
даря внедрению силовых полупроводниковых преобразователей.
Они дают возможность преобразовывать частоту переменного
тока, что позволяет плавно и в широких пределах регулировать
угловую скорость вращающегося магнитного поля, а следователь-
но, экономично и плавно регулировать частоту вращения асин-
хронных и синхронных двигателей.
Двигатель постоянного тока стоит значительно дороже, требу-
ет большего ухода и изнашивается быстрее, чем двигатель пере-
менного тока. Тем не менее в ряде случаев предпочтение отдается
двигателю постоянного тока, позволяющему простыми средствами
изменять частоту вращения электропривода в широких пределах
(3:1; 4:1 иболее).
В качестве примеров приводов, для которых рекомендуется
постоянный ток, назовем следующие: в металлургической про-
мышленности — реверсивные прокатные станы, регулируемые
нереверсивные станы при многодвигательном приводе, вспомога-
тельные механизмы повторно-кратковременного режима работы,
доменные подъемники; в металлообрабатывающей промышленно-
сти — токарные специальные станки.
Конструкцию (тип) двигателя выбирают в зависимости от усло-
вий окружающей среды. Приходится учитывать необходимость за-
щиты среды от возможных искрообразований в двигателе (при на-
личии горючей пыли, взрывоопасных смесей и т.п.), а также самих
двигателей от попадания в них влаги, пыли, агрессивных химиче-
ских веществ из окружающей среды.
Различают несколько основных типов конструкции двигателей.
Двигатели открытого типа с большими вентиляционными отвер-
стиями в подшипниковых щитах и станине для лучших условий
охлаждения целесообразно применять в немногих случаях (при-
ходится считаться с легкостью засорения такого двигателя в про-
изводственных условиях и опасностью поражения током обслужи-
вающего персонала при прикосновении к открытым токоведущим
частям).
Двигатели защищенного типа имеют вентиляционные отвер-
стия, которые закрыты решетками, защищающими двигатель
от попадания внутрь капель дождя, посторонних частиц, опилок
(но не пыли). Такие двигатели могут устанавливаться на открытом
воздухе.
143
Двигатели закрытого типа устанавливаются в запыленных поме-
щениях при наличии в воздухе паров едких испарений. Для улучше-
ния охлаждения таких двигателей применяется продувание охлаж-
дающего воздуха. В сырых помещениях применяются защищенные
двигатели со специальной влагостойкой изоляцией.
ПРИМЕРЫ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
3.11.
Управление электроприводами заключается в осуществлении
пуска, регулировании скорости, торможения, реверсирования,
а также в поддержании режимов работы привода в соответствии
с требованиями технологического процесса. Для управления элек-
троприводами служат релейно-контакторные аппараты, датчики
состояния электропривода, управляющие ЭВМ, встроенные ми-
кропроцессорные системы, преобразователи и т. п.
Различают разомкнутые и замкнутые системы управления.
Разомкнутые системы управления не содержат обратных связей,
поэтому возмущающее воздействие (например, нагрузка на валу
двигателя) приводит к изменению режима работы привода. В зам-
кнутых системах заданный режим работы привода не зависит
от возмущающих воздействий и поддерживается автоматически
благодаря наличию обратных связей.
В приводах с нерегулируемым или ступенчато регулируемым
режимом работы применяется управление на основе релейно-кон-
такторной аппаратуры (рис. 3.26); в более сложных — на основе
управляемых тиристорных преобразователей.
Управление пускателем осуществляется двумя кнопками;
«Пуск» и «Стоп». При нажатии кнопки «Пуск» замыкается цепь
оперативного тока — от провода фазы А сети через контакты 4
теплового реле 5, катушку контактора 1, контакты 4 другого те-
плового реле 5, контакты кнопок «Пуск» и «Стоп» к проводу
фазы С сети.
Под действием оперативного тока содержащий катушку 1 элек-
тромагнит трехполюсного контактора притянет подвижный якорь.
С последним жестко соединены главные подвижные 2 (образую-
щие разрыв цепи главного тока в каждой фазе) и вспомогательные
3 контакты в цепи оперативного тока. Двигатель будет пущен в ход,
когда замкнутся все эти контакты. Замыкание вспомогательных
контактов 3 нужно для того, чтобы образовать цепь оперативного
тока помимо контактов кнопки «Пуск» и, таким образом, предупре-
144
Рис. 3.26. Схема магнитно-
го нереверсивного пускате-
ля переменного тока:
7 — катушка контактора; 2,
3 — соответственно подвижные
и вспомогательные контакты;
4 — контакты; 5 — тепловое
реле; 6 — плавкие предохрани-
тели
дить размыкание оперативного тока, когда кнопка «Пуск» после на-
жатия возвратится в исходное положение.
При нажатии кнопки «Стоп» цепь оперативного тока, содержа-
щая катушку контактора 1, размыкается, отпадает якорь, а главные
контакты 2 под действием пружин размыкаются; двигатель оста-
навливается.
Защита двигателя от перегрузок обеспечивается в магнитном пу-
скателе двумя тепловыми реле 5 с биметаллическими элементами.
Вследствие значительной тепловой инерции тепловые реле
не обеспечивают защиту от токов короткого замыкания, поэтому
для защиты от внезапных коротких замыканий в цепи главного
тока должны быть установлены плавкие предохранители 6.
Электропривод переменного тока. Для регулирования частоты
вращения асинхронного двигателя тиристоры включаются в цепь
статора или ротора. В первом случае можно регулировать амплиту-
ду (фазное регулирование) или частоту (частотное регулирование)
напряжения на обмотках статора и, следовательно, вращающий мо-
мент на валу двигателя. Во втором случае можно изменять активное
сопротивление цепи ротора и таким образом регулировать его ча-
стоту вращения.
На рис. 3.27 приведены схемы преобразователя (регулятора) пе-
ременного напряжения на обмотках статора асинхронного двига-
теля с двумя встречно-параллельными тиристорами в каждой фазе.
Система управления (СУ) синхронно открывает тиристоры в по-
рядке чередования фаз. Изменяя момент времени включения тири-
сторов, можно регулировать амплитуду напряжения основной гар-
моники, Выключение тиристоров осуществляется автоматически
145
Рис. 3.27. Схемы [а, б] преобразователя переменного напряжения
при изменении полярности напряжения соответствующей фазы.
Такой режим называется естественной коммутацией.
Пусть первоначально рабочий тиристор VSK открыт, а вспомога-
тельный V5K закрыт. В это время конденсатор Ск заряжается через
резистор /?к. Подадим теперь на вспомогательный тиристор VS¥ от-
пирающий его импульс напряжения от системы управления
(СУ). Вспомогательный тиристор откроется, и конденсатор начнет
разряжаться через него и рабочий тиристор (контур цепи, разряд-
ки, отмеченный на рис. 3.27 штриховой линией). При этом ток раз-
рядки конденсатора направлен навстречу прямому току рабочего
тиристора и последний выключается. После этого конденсатор пе-
резаряжается (заряд обратной полярности) через резистор и от-
крытый вспомогательный тиристор.
Чтобы вновь включить рабочий тиристор, на него необходимо
подать импульс напряжения иуп от системы управления. При этом
конденсатор своим током разрядки выключает вспомогательный
тиристор, тот же контур разрядки, но ток обратного направления,
а конденсатор еще раз перезаряжается.
Следующий цикл начинается с подачи импульса напряжения
и от системы управления на вспомогательный тиристор.
Эквивалентное сопротивление цепи ротора зависит от отноше-
ния интервалов времени открытого и закрытого состояний рабоче-
го тиристора. Изменяя это отношение, можно регулировать сред-
нее значение тока ротора и, следовательно, момент, развиваемый
асинхронным двигателем.
146
Одним из перспективных способов регулирования частоты
вращения асинхронных двигателей является изменение частоты
напряжения па обмотках статора. Для этой цели широко применя-
ются автономные инверторы на основе тиристоров, т. е. устройства
преобразования постоянного напряжения в переменное с любым
числом фаз. Например, управление частотой вращения двухфаз-
ных и однофазных асинхронных двигателей возможно на основе
однофазного автономного инвертора.
Инвертирование постоянного напряжения в трехфазную или
многофазную систему напряжений осуществляется аналогично.
Обычно в инверторе вместо источника с постоянной ЭДС исполь-
зуется выпрямленное напряжение сети переменного тока. Приме-
нение для этой цели управляемого выпрямителя дает дополнитель-
ные возможности управления асинхронным двигателем.
Устройства, содержащие и управляемые выпрямители, и инвер-
торы, принято называть тиристорными преобразователями. Иногда
в электроприводе применяются более сложные тиристорные преоб-
разователи, например выпрямитель — инвертор — выпрямитель.
Применение различных способов управления позволяет плавно
и экономично регулировать частоту вращения асинхронных двига-
телей в диапазоне до 50:1 и выше.
Электропривод постоянного тока. Если необходимо регулиро-
вать частоту вращения двигателя постоянного тока и получить спе-
циальные характеристики, то в настоящее время широко приме-
няются тиристорные преобразователи для подключения двигателя
к сети переменного тока.
Схема подключения двигателя посто-
янного тока с независимым возбуждени-
ем к сети с однофазным синусоидальным
напряжением полностью аналогична рас-
смотренной ранее схеме. Одна из про-
стейших схем включения двигателя посто-
янного тока с независимым возбуждением
в трехфазную сеть приведена на рис. 3.28.
Система управления включает тиристоры
в порядке чередования фаз.
Схема управления асинхронным ко-
Рис. 3.28. Схема включе-
ния двигателя постоянно-
го тока с независимым
возбуждением в трех-
фазную сеть
роткозамкнутым двигателем. Неревер-
сивный. электропривод. Электрическая
схема предусматривает пуск электродви-
гателя в одном направлении, его останов-
ку и защиту, Схема нереверсивного пуска-
147
Рис. 3.29. Схема нереверсивного пускателя
теля (рис. 3.29) позволяет осуществлять управление электрическим
приводом. Защита двигателя от перегрузки осуществляется тепловы-
ми реле КК1 и КК2, находящимися в пускателе, защита от короткого
замыкания — охранителями F1 и F2.
Схема позволяет осуществлять управление с различных постов
управления, но для этого необходимо добавить кнопки «Пуск»
и «Стоп». Для двух постов управления необходимо иметь две кноп-
ки «Пуск», включенные параллельно, и две кнопки «Стоп», вклю-
ченные последовательно.
Реверсивный электропривод. Этот привод вращает вал в обе
стороны. Схема пуска асинхронного двигателя показана на рис. 3.30.
Реверсивное управление асинхронным двигателем с короткозамк-
нутым ротором осуществляется контакторами КВ (вперед) и КН
(назад) реверсивного магнитного пускателя.
Схема работает следующим образом. После нажатия кнопки
«Пуск» срабатывает контактор КВ и шунтирует кнопку S1, осущест-
вляется пуск двигателя «Вперед». Для остановки двигателя необхо-
димо нажать кнопку S3 «Стоп». Пуск двигателя «Назад» осущест-
вляется кнопкой S2 и подобен пуску «Вперед». Чтобы предотвратить
одновременное срабатывание контакторов КВ и КН, существует
электрическая блокировка с помощью нормально замкнутых кон-
тактов КН и КВ. Защита от перегрузки осуществляется тепловыми
148
Рис. 3.30. Схема пуска асинхронного двигателя с помощью статорных
резисторов
реле КК1 и КК2. От коротких замыканий силовая цепь защищается
предохранителями F1, цепь управления — предохранителем F2.
Пуск асинхронного короткозамкнутого двигателя с помо-
щью статорных сопротивлений. При пуске короткозамкнутого
асинхронного двигателя ток в статоре двигателя в 6 — 8 раз пре-
вышает номинальный, что сказывается на работе других потреби-
телей. Большие пусковые токи асинхронных двигателей требуют
повышенной мощности сети. Чтобы снизить пусковые токи асин-
хронных двигателей, применяют искусственные методы пуска. Од-
ним из таких методов является ограничение пускового тока с помо-
щью статорных резисторов.
Схема предусматривает вращение двигателя в одном направле-
нии. После нажатия кнопки SJ обмотки контактора КМ1 пускателя
и реле времени КТ оказываются под напряжением и контакты КМ1
замыкаются (см. рис. 3.30). Последовательно с двигателем М вклю-
чаются сопротивления R, которые ограничивают пусковой ток. Че-
рез 2...4 с реле времени КТ замыкает свой контакт в цепи катушки
КМ2 и контактор КМ2 шунтирует своими контактами в силовой
цепи резисторы R. Теперь все напряжение сети приложено к ста-
торной обмотке двигателя и двигатель выходит на рабочий режим.
149
От перегрузки цепь защищена тепловыми реле КК1 и КК2, от то-
ков коротко 1'0 замыкания — предохранителями Fin F2.
Ограничение пускового тока с помощью статорных резисто-
ров R уменьшает также пусковой момент, что необходимо учиты-
вать при реализации этой схемы управления.
Автотрансформаторный пуск асинхронного короткозам-
кнутого двигателя. Другой способ ограничения пусковых токов
в асинхронном двигателе — применение автотрансформаторного
пуска. С помощью автотрансформатора в начале пуска к обмоткам
двигателя прикладывается только часть напряжения, что и позволя-
ет снизить пусковой ток асинхронного двигателя с вращением вала
в одном направлении с разбиением пуска на три интервала време-
ни, Порядок работы схемы следующий. При нажатии кнопки S1
контактор КМ1 замыкает свои контакты в силовой и управляющей
цепи. Одновременно с КМ1 подключается обмотка реле времени
КТ1 и реле начинает отсчет времени.
Искусственной коммутацией называется выключение тиристо-
ра при подключении к его выводам какого-либо источника энергии,
создающего в нем ток обратного направления. Примером примене-
ния искусственной коммутации в электроприводе может служить
управление током в цепи фазного ротора асинхронного двигателя.
Рабочий тиристор VS замыкает через резистор цепь выпрямленно-
го при помощи трехфазной мостовой схемы (см. рис. 3.27) тока ро-
тора. Узел искусственной коммутации (УК), обведенный на рисунке
штриховой линией, содержит вспомогательный тиристор VSK, ре-
зистор RK и конденсатор Ск.
Если необходимо регулировать частоту вращения двигателя по-
стоянного тока и получить специальные характеристики, то в на-
стоящее время широко применяются тиристорные преобразовате-
ли для подключения двигателя к сети переменного тока.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите основные элементы электропривода.
2. Нарисуйте циклы нагрева и охлаждения двигателя в продолжи-
тельном и повторно-кратковременном режимах работы.
3. Каково назначение основных элементов схемы управления дви-
гателей?
4. Для чего включают резисторы в цепь статора асинхронного
короткозамкнутого двигателя?
5. Какова область применения асинхронных двигателей с фазным
ротором?
150
6. Как производится пуск двигателя постоянного тока параллель-
ного возбуждения?
7. Для чего применяют тиристорный электропривод переменного
тока?
8. Приведите примеры применения преобразователей частоты для
управления асинхронными двигателями.
9. Приведите пример многодвигательного электропривода. Объ-
ясните порядок работы схем.
10. Расскажите о принципах работы электроприводов со специаль-
ными свойствами и характеристиками.
Глава 4
АВТОМАТИКА
4.1.
ПОНЯТИЕ ОБ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
Автоматика — это область науки и техники, посвященная тео-
рии и практике устройств и систем, работающих без участия чело-
века. Области применения автоматики очень быстро расширяют-
ся, автоматическое управление внедряется в самые разнообразные
сферы человеческой деятельности — это и сложные вычисления,
и управление работой энергетических и иных систем, осуществле-
ние записи, хранения и выдачи различной информации, перевод
текста с одного языка иа другой и т. д.
Современный уровень развития науки и техники стал возможен
благодаря все большему раскрытию тайн устройства окружающего
нас мира. Потребности развития сначала продовольственной базы,
а затем и других отраслей экономики и быта привели к созданию
механизмов и машин, облегчающих труд человека.
Все большее применение находит автоматика на коммунально-
бытовых предприятиях и объектах жилищно-гражданского строи-
тельства. Полностью автоматизированы различного назначения на-
сосные станции и тепловые пункты; широкое распространение полу-
чила объединенная диспетчерская служба (ОДС), контролирующая
состояние инженерного оборудования зданий и работу лифтов.
Область применения автоматизации и механизации безгранич-
на. Технический прогресс охватывает все без исключения отрасли
экономики.
152
Рис. 4.1. Структура системы автоматического регулирования
В развитом обществе автоматизация производства закономер-
на. Она является одним из средств уничтожения существенного
различия между умственным и физическим трудом.
Средства автоматики и телемеханики заменяют труд человека
при контроле производственных процессов и управлении ими. Рас-
смотрим пример поддержания постоянной заданной температуры
в помещении. Для того чтобы выполнить эту задачу вручную, без
применения автоматики, человек должен, во-первых, наблюдать
за показаниями термометра, во-вторых, сравнивать эти показания
с заданной температурой, в-третьих, в случае разности между за-
данным и наблюдаемым значениями изменять температуру нагре-
вателя так, чтобы эта разность стала равной нулю.
Таким образом, человек выполняет следующие функции:
1) контроль температуры;
2) сравнение ее с заданным значением;
3) управление температурой.
Автоматическое устройство призвано заменить утомительный
труд человека по постоянному наблюдению и регулированию тем-
пературы. Структура системы автоматического регулирования
представлена на рис. 4.1,
4.г.
КЛАССИФИКАЦИЯ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПО ВЫПОЛНЯЕМЫМ ФУНКЦИЯМ
В развитом обществе автоматизация производства закономерна.
Она является одним из средств уничтожения существенного раз-
личия между умственным и физическим трудом. Датчик (измери-
тельный орган) измеряет величину, подлежащую регулированию
в данном объекте, и преобразует ее в величину другого вида, более
удобную для воздействия на управляющий орган.
Управляющий орган воспринимает это воздействие, сравнивая
его с заданным значением величины и при наличии расхождения
передает соответствующее воздействие на исполнительный орган,
153
который и восстанавливает заданное значение регулируемой вели-
чины. В приведенном примере при неавтоматическом регулирова-
нии объектом является комната, регулируемой величиной — тем-
пература, датчиком — термометр, исполнительным органом — на-
греватель, а функцию управляющего органа выполняет человек.
Автоматизация — процесс, при котором функции управления
и контроля осуществляются методами и средствами автоматики.
Она характеризуется освобождением человека от непосредствен-
ного выполнения функций управления производственными про-
цессами и передачей этих функций автоматическим устройствам.
Техническая направленность автоматизации позволяет
организовать технологические процессы с такой скоростью, точ-
ностью, надежностью и экономичностью, которые человек обеспе-
чить не может.
Экономическая направленность автоматизации
позволяет достичь быстрой окупаемости первоначальных затрат
за счет снижения эксплуатационных расходов и повышения объе-
ма и качества выпускаемой продукции.
Социальная направленность автоматизации позволя-
ет изменить характер и улучшить условия труда человека. По степе-
ни автоматизации производства различают частичную, комплекс-
ную и полную автоматизацию.
Частичная автоматизация — автоматическое выполнение от-
дельных производственных операций, осуществляемое в тех слу-
чаях, когда определенные производственные процессы вследствие
своей сложности или быстродействия не выполнимы для человека.
Функции человека сводятся к участию в производственных опера-
циях, контроле и управлении.
Комплексная автоматизация — автоматическое выполнение всех
производственных операций участка, цеха, завода, электростанции
как единого взаимосвязанного комплекса. Функции человека при
комплексной автоматизации ограничиваются контролем и общим
управлением. При комплексной автоматизации отдельные автома-
тические регуляторы и программные устройства должны быть свя-
заны между собой и образовывать единую систему управления.
Полная автоматизация — высшая ступень, при которой авто-
матизируются все основные и вспомогательные участки производ-
ства, включая систему управления и контроля. Управление и кон-
троль автоматизируются с помощью вычислительных машин или
специализированных автоматических устройств. Функции челове-
ка при полной автоматизации сводятся к наблюдению за работой
оборудования и устранению возникающих неисправностей.
154
Рис. 4.2. Функции автоматизации:
а — управление; б — контроль; в — регулирование и защита
Автоматизация классифицируется в зависимости от выполняе-
мых функций (рис. 4.2).
Управление — совокупность действий, направленных на под-
держание функционирования объекта в соответствии с заданной
программой и выполняемых на основе определенной информации
о значениях параметров управляемого процесса. Любой процесс
управления в каждый момент времени характеризуется одним или
несколькими показателями, которые отражают физическое со-
стояние управляемого объекта (температура, скорость, давление,
электрическое напряжение, ток, электромагнитное поле и т.д.).
Эти показатели могут меняться или оставаться постоянными при
изменении внешних условий и режимов работы управляемого
устройства. Такие показатели называются параметрами управляе-
мого процесса.
С точки зрения автоматизации производства управление под-
разделяется на автоматическое и полуавтоматическое.
При автоматическом управлении подача команд
на управляемый объект осуществляется от специальных устройств
либо по заданной программе, либо на основании информации кон-
тролируемых параметров.
При полуавтоматическом управлении контроль ра-
боты управляемого объекта и подача команд осуществляются ча-
стично оператором. Полуавтоматическое управление может быть
местным и дистанционным. При местном управлении аппараты
управления и контроля размещаются рядом с объектом, при дис-
танционном — на любом расстоянии от объекта.
Автоматический контроль — автоматическое получение и об-
работка информации о значениях контролируемых параметров
объекта в целях выявления необходимости управляющего воздей-
ствия. Автоматический контроль можно рассматривать как состав-
ную часть автоматического управления.
155
Контроль может быть непрерывным и дискретным. Непрерыв-
ный контроль — контроль, при котором контролируемые параме-
тры постоянно сопоставляются с заданными значениями. Дискрет-
ный контроль — контроль, при котором сопоставление параметров
осуществляется периодически.
Контроль может быть местным и дистанционным. Местный
контроль — контроль, при котором наблюдение за состоянием
параметров осуществляется непосредственно у объекта, при дис-
танционном. контроле наблюдение за состоянием параметров осу-
ществляется на расстоянии от объекта.
Сигнализация — преобразование информации о функциониро-
вании контролируемого объекта (о значении характерных параме-
тров) в условный сигнал, понятный дежурному или обслуживающе-
му персоналу. Сигнализация подразделяется на технологическую
и аварийную.
Технологическая сигнализация извещает персонал о ходе про-
цесса при возможных допустимых отклонениях контролируемых
параметров. Извещение может быть в виде световых сигналов (за-
горание или мигание ламп, табло ит.д.) или в виде сочетания свето-
вых и звуковых сигналов.
Аварийная сигнализация извещает об отклонениях контролируе-
мых параметров технологического процесса за допустимые преде-
лы и необходимости вмешательства персонала. Обычно она выпол-
няется в виде световых и звуковых сигналов.
Блокировка — фиксация механизмов, устройств в определенном
состоянии в процессе их работы. Блокировка позволяет сохранить
механизм, устройство в фиксированном положении после получе-
ния внешнего воздействия. Блокировка повышает безопасность
обслуживания и надежность работы оборудования, обеспечивает
требуемую последовательность включения механизмов, устройств,
а также ограничивает перемещение механизмов в пределах рабо-
чей зоны.
Автоматическая защита — совокупность методов и средств,
прекращающих процесс при возникновении отклонений за до-
пустимые значения контролируемых параметров. В ряде случаев
устройства защиты одновременно выполняют функции управле-
ния.
Автоматическое регулирование — автоматическое обеспечение
заданных значений параметров, определяющих требуемое проте-
кание управляемого процесса в соответствии с установленной про-
граммой. Автоматическое регулирование можно рассматривать
как составную часть автоматического управления.
156
Параметры управляемого процесса, подлежащие заданным из-
менениям или стабилизации, называются регулируемыми параме-
трами. Устройство, обеспечивающее автоматическое поддержание
заданного значения, регулируемого в управляемом объекте, или его
изменения по определенному закону, называется регулятором.
Совокупность объекта регулирования и автоматического регуля-
тора называется системой автоматического регулирования (САР).
В системе автоматического регулирования различают прямую и об-
ратную связи. Прямая связь — воздействие каждого предыдущего
элемента регулятора на последующий.
Обратная связь — воздействие одного из последующих элемен-
тов регулятора на предыдущий. Обратная связь может быть поло-
жительной или отрицательной. При положительной направление
ее воздействия совпадает с направлением воздействия предыдуще-
го элемента на последующий, а при отрицательной оно противопо-
ложно.
4.3.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ
АВТОМАТИКИ
Системы автоматики состоят из ряда связанных между собой
элементов, выполняющих определенные функции и обеспечиваю-
щих в комплексе весь процесс управления: получение первичной
информации, усиление сигналов информации и преобразование
их в управляющие сигналы, воздействие на исполнительные меха-
низмы.
В соответствии с выполняемыми функциями все элементы, со-
ставляющие автоматические системы, подразделяются на три са-
мостоятельные группы:
1) измерительную, представляющую собой различного типа
датчики, информирующие о достижении определенного значения
контролируемого параметра;
2) преобразовательную, служащую для усиления информацион-
ного сигнала и преобразования его в другой, удобный для управле-
ния;
3) исполнительную, включающую в себя комплекс механизмов,
непосредственно осуществляющих управление.
Все элементы любой группы имеют вход и выход. На вход по-
ступает информация, форма которой преобразуется в другую, не-
обходимую для дальнейшего движения и воздействия. Входная ве-
личина элемента обозначается X а выходная — Y.
157
Входной величиной элемента могут быть мгновенные значения
физических величин (скорости, ускорения, давления, температуры,
перемещения, освещенности, тока, напряжения и т.д.), амплитуд-
ные значения синусоидальных или импульсных электрических ве-
личин (тока или напряжения), частота физических величин и т.д.
Выходной величиной может быть электрический сигнал, отлича-
ющийся по величине и характеру. Входную величину обычно назы-
вают входным сигналом, а выходную — выходным сигналом.
СТАТИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ
ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ
4.4.
Режим работы элемента (системы) при постоянных во времени
входной и выходной величинах называют установившимся, или
статическим, режимом. В установившемся режиме
X{t) = const и K(f) = const.
Элемент представляет собой самостоятельное конструктивное
исполнение, выполняющее определенные функции. Элементом
может быть, например, резистор, конденсатор, трансформатор
и т. д. Элементы могут отличаться друг от друга физической приро-
дой, принципом действия, схемой включения, конструкцией и т. д.
Все элементы автоматики различают по физическим основам их
действия (свойствам). Свойства элемента определяются рядом ха-
рактеристик и параметров. Под характеристикой понимается за-
висимость одной величины от другой, а под параметром — величи-
на, характеризующая некоторое существенное свойство элемента.
Статические характеристики и параметры. Функциональная
зависимость выходной величины У от входной X, выраженная ма-
тематически или графически, называется статической характери-
стикой элемента Y = f(X).
Элементы, имеющие не зависящие от времени параметры и ли-
нейные статические характеристики, называются линейными,
а имеющие нелинейные характеристики — нелинейными. По ста-
тической характеристике можно определить вид элемента (датчик,
реле). Например, если статическая характеристика элемента не-
прерывна, т. е. величина У находится в определенной непрерывной
зависимости от величины X (рис. 4.3), то такой элемент называется
источником первичной информации, или датчиком.
Если статическая характеристика элемента изменяется скачком,
т.е. практически осуществляется включение или отключение при
158
Рис. 4.3. Линейная (7) и нелиней-
ная (2} характеристики элементов
Рис, 4,4. Скачкообразная харак-
теристика элементов реле
достижении входной величиной X определенных, заранее установ-
ленных значений, то такой элемент называется реле (рис. 4.4).
В зависимости от природы контролируемой входной величи-
ны X реле называются электрическими, тепловыми, оптическими.
По наименованию входной величины X реле имеет уточняющий
термин: «реле уровня», «реле скорости», «реле тока», «реле напря-
жения» и т.д.
Как датчики, так и реле являются основными элементами авто-
матики. Они являются основными и обязательными элементами
воспринимающих блоков (устройств), Их используют также в про-
межуточных и исполнительных блоках автоматических систем
(рис. 4.5). Элементы для конкретных автоматических систем вы-
бирают по ряду параметров, их характеризующих: коэффициенту
передачи, порогу чувствительности, погрешности.
Коэффициент передачи элемента. Коэффициент передачи эле-
мента представляет собой отношение выходной величины элемен-
та Yк входной величине X:
159
У элементов с линейной статической характеристикой коэффи-
циент передачи — величина постоянная, а у элементов с нелиней-
ной — переменная, зависящая от X.
Если входная и выходная величины элемента имеют одинако-
вую физическую природу, т.е, одинаковые размерности, то коэф-
фициент передачи размерности нс имеет и его называют коэффи-
циентом усиления. При разных размерностях входной и выходной
величин коэффициент передачи элемента имеет размерность.
Применительно к датчику коэффициент передачи называется так-
же чувствительностью. Чем больше значения К, тем больше вы-
ходной сигнал элемента при том же изменении входной величины
и тем меньше нужно будет усиливать выходной сигнал до требуе-
мого значения.
Порог чувствительности — наименьшее (по абсолютному зна-
чению) значение входного сигнала, способное вызвать изменение
выходного сигнала.
Интервал между значением входного сигнала, не оказывающего
воздействия на значение выходного сигнала, и значением входного
сигнала, оказывающего воздействие на значение выходного сиг-
нала, называется зоной нечувствительности ДХН. Чем больше зна-
чение ДХ„, тем хуже элемент. Например, у электродвигателя порог
чувствительности равен напряжению трогания двигателя.
Погрешность элемента появляется из-за неточной тариров-
ки или градуировки (вследствие разброса параметров) элементов
в процессе их изготовления (в пределах установленных допусков).
В результате погрешности происходит отклонение характеристи-
ки элемента от заданной идеальной статической характеристики.
Погрешность элемента может также возникнуть в результате из-
менения его внутренних свойств (старение, износ) или внешних
факторов (воздействие температуры, влажности, питающего на-
пряжения).
Различают абсолютную, относительную и приведенную по-
грешности, Под абсолютной погрешностью элемента понимают
разность между полученным Уп и действительным У значениями
выходной величины:
А = у,-У
Действительное номинальное значение выходной величины —
это идеальное значение выходной величины при отсутствии по-
грешности.
Абсолютная погрешность имеет размерность выходной величи-
ны. Она может быть положительной и отрицательной.
160
Относительная погрешность дает более полное представление
о нестабильности статической характеристики. Относительная
погрешность представляет собой отношение абсолютной погреш-
ности к действительному значению выходной величины элемента,
выраженной в относительных единицах или процентах:
80 =у или 50 = ф100,
где Д — абсолютная погрешность; Y — действительное значение
выходной величины элемента.
По мере уменьшения номинального значения выходной вели-
чины при неизменном значении абсолютной погрешности относи-
тельная погрешность увеличивается.
Приведенная погрешность чаще всего характеризует элементы
автоматики. Под приведенной погрешностью понимают отношение
абсолютной погрешности к разности предельных значений выходной
величины, выраженной в относительных единицах или процентах:
5 =--------100,
у -Y
J max J min
где Д — абсолютная погрешность; VmdX и У111П1 — максимальное и ми-
нимальное значения выходной величины элемента.
Погрешность, которая возникает при нормальных условиях
эксплуатации, называется основной погрешностью. Условия экс-
плуатации элемента не всегда совпадают с нормальными, поэтому
к основной погрешности элемента добавляется погрешность, назы-
ваемая дополнительной.
ДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАБОТЫ
ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМАТИКИ.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
И ПАРАМЕТРЫ
4.5.
В реальных системах автоматики сигналы от элементов, как пра-
вило, бывают непостоянными. В большинстве случаев они меняют-
ся во времени. Режим работы элемента при переменных во вре-
мени входной и выходной (или одной из них) величин называется
динамическим.
Для элементов, составляющих системы автоматики, основным
режимом работы является режим, при котором входная и выход-
ная величины во времени не остаются постоянными. Такой режим
называется динамическим, Для оценки работы элемента в дина-
161
мическом режиме используются динамические характеристики
(рис. 4.6) и параметры.
Процесс перехода элемента из одного установившегося состоя-
ния в другое называется переходным процессом. Так как во время
переходного процесса К изменяется, то переходный процесс явля-
ется частным случаем динамического режима.
Переходный процесс характеризуется переходной характери-
стикой. Под переходной характеристикой понимается зависимость
выходной величины от времени Y- f{t) при скачкообразном изме-
нении входной величины. Реакция большинства элементов на скач-
кообразный входной сигнал, т.е. их переходная характеристика,
представляет собой нарастающую экспоненту.
Время от начала экспоненциального изменения выходной вели-
чины до момента, когда она достигает 63 % (2/3) установившегося
значения выходной величины, называется постоянной времени
элемента т. Чем меньше т, тем круче переходная характеристи-
ка, тем меньше длительность переходного процесса и тем меньше
инерционность элемента.
Динамические свойства элемента принято оценивать по его ре-
акции на скачкообразное изменение входного сигнала. При этом
переходный процесс, называемый переходной характеристикой,
определяется только свойствами элемента. До подачи скачкообраз-
ного сигнала на вход элемент находится в одном установившемся
состоянии (режиме), после подачи скачка и окончания изменений
выходной величины элемент будет находиться в другом установив-
шемся состоянии. Таким образом, переходная характеристика по-
зволяет выявить и оценить инерционность элемента.
г
Рис. 4.6. Переходные характеристики элементов автоматики
162
Различные элементы автоматики имеют различные графики
переходных процессов. На рис. 4.7, а показан переходный процесс
без запаздывания, на рис. 4.7, б — переходный процесс элементов,
обладающих инерцией. Степень инерционности подобных элемен-
тов оценивается постоянной времени т. Это время определяется
расстоянием по оси абсцисс от начала координат до точки пересе-
чения а касательной к кривой переходного процесса в начале коор-
динат с установившимся значением выходного сигнала ууст.
На рис. 4.7, в показан колебательно-затухающий переходный
процесс, при котором выходная величина колеблется около ее уста-
новившегося значения ууст с постоянной частотой fQ = 1 /т0, где —
период колебаний с непрерывно убывающей амплитудой.
Время tycT, в течение которого выходной сигнал достигает значе-
ния, отличающегося на Ау от установившегося значения выходной
величины у, называется длительностью переходного процесса. Пе-
реходный процесс (см. рис. 4.7, в) называется периодическим в от-
личие от апериодического переходного процесса (см. рис. 4.7, б).
Выходной сигнал (см. рис. 4.7, г) изменяется периодически; при
этом выходной сигнал у сдвинут по фазе на угол q>.
Рис. 4.7. Варианты графиков переходных процессов:
а — переходный процесс без запаздывания; б — апериодический процесс; в — пе-
риодический процесс; г — переходный процесс с запаздыванием
163
4.6.
КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ СИГНАЛА
В системах автоматики датчик предназначен для преобразо-
вания контролируемой или регулируемой величины (параметра
контролируемого объекта) в выходной сигнал, более удобный для
дальнейшего движения информации, поэтому датчик нередко на-
зывают преобразователем (этот термин является общим, так как
любой элемент автоматики и телемеханики, имея свой вход и вы-
ход, является в той или иной мере преобразователем).
Исключительное многообразие датчиков, применяемых в совре-
менной автоматике, вызывает необходимость их классификации.
Датчики как элементы автоматики могут быть построены на раз-
личной физической и конструктивной основе, поэтому основными
их признаками являются функциональная зависимость и принцип
формирования элемента. Для дальнейшего подразделения могут
быть приняты такие признаки, как состояние вещества, из кото-
рого состоит элемент (твердое, жидкое, газообразное), и характер
измеряемой величины (или состояния), т.е. механическая, акусти-
ческая, тепловая, электрическая, магнитная, химическая и др. Каж-
дому характеру измеряемой величины соответствует множество
конкретных измеряемых величин и состояний,
В настоящее время известны следующие типы датчиков, кото-
рые наиболее целесообразно классифицировать по входной вели-
чине, практически соответствующей принципу действия:
механический — входной величиной является перемещение
твердого тела;
электрический — входной является электрическая величина
(ток, напряжение, частота тока, мощность);
акустический — входными величинами являются работа звука,
скорость звука в веществе и т.д.;
оптический «— входными величинами являются яркость, осве-
щенность, световой поток, частота волны света, энергия;
радиоактивный — входными величинами являются поток радиа-
ции, интенсивность радиации, энергия радиации и т.д.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
ДАТЧИКА
В простейшем случае датчик осуществляет только одно преоб-
разование Y = f(X), например силы в перемещение (в пружине) или
164
4.7.
температуры в электродвижущую силу (в термоэлементе) и т.п. Та-
кие датчики называются датчиками с непосредственным преобра-
зованием. Однако в ряде случаев не удается непосредственно ока-
зать воздействие входной величины X на необходимую выходную
величину Y (если такая связь неудобна или она не дает желаемых
качеств). В этом случае осуществляют последовательные преобра-
зования: входной величиной X воздействуют на промежуточную Z,
а величиной Z — на необходимую выходную величину У:
/=мх);у=ад.
В результате получается функция, связывающая X с У:
У=/2(/1(Х)]=Г(Х).
Число таких последовательных преобразований может быть
больше двух, и в общем случае функциональная связь У с X может
проходить через ряд промежуточных величин:
У=/„{ад(Х)|} = F(X).
Датчики, имеющие такие зависимости, называются датчиками с
последовательным преобразованием. Входная часть таких датчиков
называется воспринимающим органом, выходная — исполнитель-
ным органом. Все остальные части называются промежуточными
органами. В датчике с двумя преобразованиями промежуточные
органы отсутствуют, в нем имеются только воспринимающий и ис-
полнительный органы. Нередко один и тот же конструктивный эле-
мент выполняет функции нескольких органов. Например, упругая
мембрана выполняет функцию воспринимающего органа (преоб-
разование давления в силу) и функцию исполнительного органа
(преобразование силы в перемещение),
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
1/1 ХАРАКТЕРИСТИКИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
4.8.
Датчики, у которых хотя бы одна из величин (входная или вы-
ходная) — электрическая, называются электрическими.
Статическая характеристика — функциональная зависимость
между входной X и выходной Увеличинами датчика в установившем-
ся режиме. Она может быть линейной или нелинейной и представ-
ляться аналитически (уравнением) в виде графика или таблично.
165
Чувствительность датчиков — отношение выходной величины
к входной в соответствующих единицах. Например, для реостатного
датчика единицей измерения чувствительности является [Ом/мм];
для термопары — [мВ/K]; для фотоэлемента — [мкА/лм] и т, д.
Порог чувствительности — минимальное значение входного
сигнала X, вызывающего появление регистрируемого выходного
сигнала У.
Динамическая характеристика определяет скорость отклика
датчика на изменение контролируемого параметра. По динамиче-
ским характеристикам большинство датчиков относится к усили-
тельным, апериодическим или колебательным звеньям.
Погрешности датчиков подразделяются на основные и дополни-
тельные. Основная погрешность — максимальная разность между
измеренным значением выходного сигнала и его истинным значе-
нием, определяемым по идеальной статической характеристике.
Электрические датчики наиболее распространены как в автомати-
ке, так и в телемеханике. Большинство электрических датчиков об-
ладает универсальностью; они используются практически во всех
отраслях современной техники и их можно применять для решения
различных технических задач.
ПРИНЦИП РАБОТЫ И ОСНОВНЫЕ
ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПАРАМЕТРИЧЕСКИХ И ГЕНЕРАТОРНЫХ
ДАТЧИКОВ
4.9.
Электрические датчики подразделяются на генераторные и па-
раметрические. В генераторных датчиках осуществляется
преобразование измеряемого параметра непосредственно в элек-
трический сигнал, В параметрических датчиках изме-
ряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи:
сопротивление, индуктивность, емкость и т. п.
Датчики генераторного типа с коэффициентом К = Y/Xчаще все-
го выполняются по схеме прямого однократного преобразования
(рис. 4.8, а). При необходимости получения унифицированного вы-
ходного сигнала используют многозвенную структуру из несколь-
ких измерительных преобразователей (ИП) с коэффициентом пе-
редачи К{ ...Кп (рис. 4.8, б}. В датчиках, построенных по дифферен-
циальной схеме, измеряемая величина подается на два идентичных
ИП (К] = К2); при этом выходной сигнал датчика пропорционален
разности выходных сигналов ИП каждого из каналов.
166
Рис. 4.8. Схемы включения датчиков:
а — однократное преобразование; б — многозвенное преобразование; в — с диф-
ференциальной схемой преобразования; г — компенсационная схема [с обратной
связью]
К достоинствам таких датчиков относятся повышенная помехо-
защищенность, возможность реверсирования статической харак-
теристики и уменьшение ее нелинейности.
Наиболее совершенной схемой является схема с обратной свя-
зью (компенсационная) (рис. 4.8, г), в которой обеспечивается ав-
томатическое уравновешивание контролируемой величины ком-
пенсирующей величиной того же вида непосредственно или после
предварительного преобразования (К2 — коэффициент передачи
цепи обратной связи).
Электрические датчики в зависимости от принципа производи-
мого ими преобразования подразделяются на два типа: модуляторы
и генераторы. У модуляторов (параметрические датчики) энер-
гия входа воздействует на вспомогательную электрическую цепь,
изменяя ее параметры и модулируя значение и характер изменения
тока или напряжения от постороннего источника энергии. Благода-
ря этому одновременно усиливается сигнал, поступивший на вход
датчика. Наличие постороннего источника энергии является обяза-
тельным условием работы датчиков-модуляторов (рис. 4.9).
Модуляция осуществляется с помощью изменения одного
из трех параметров: омического
и емкости. В соответствии с этим
различают группы омических, ин-
дуктивных и емкостных датчиков.
Каждая из этих групп может под-
разделяться на следующие под-
группы. Так, наиболее обширная
группа омических датчиков мо-
жет быть разделена на подгруппы:
сопротивления, индуктивности
Рис. 4.9. Функциональные блоки
датчика-модулятора (а) и датчика-
генератора [б]
167
168
Рис, 4.10. Классификация основных электрических датчиков
1) тензорезисторы; 2) потенциометры; 3) терморезисторы; 4) фото-
резисторы, Ко второй подгруппе относятся варианты индуктивных
датчиков, магнитоупругие и трансформаторные датчики. Третья
подгруппа объединяет различного типа емкостные датчики.
Датчики-генераторы являются просто преобразователями
(рис. 4.9, б). Принцип их действия основан на возникновении элек-
тродвижущей силы под влиянием различных процессов, связанных
с контролируемой величиной.
Возникновение такой электродвижущей силы может проис-
ходить, например, вследствие электромагнитной индукции, термо-
электричества, пьезоэлектричества, фотоэлектричества и других
явлений, вызывающих разделение электрических зарядов. Соот-
ветственно этим явлениям генераторные датчики подразделяются
на индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и фо-
тоэлектрические.
Возможны еще группы электротехнических, электростатиче-
ских датчиков, датчиков Холла и др. Общая классификация основ-
ных датчиков по выходной электрической величине представлена
на рис. 4.10.
4.10.
КЛАССИФИКАЦИЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ
МЕХАНИЗМОВ АВТОМАТИЧЕСКИХ
СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ
В настоящее время в нашей стране и за рубежом разработано
и применяется большое количество разнообразных исполнитель-
ных механизмов, основанных на различных принципах действия
и выполняющих различные функции в зависимости от требований,
обусловливаемых характером технологического процесса или по-
лучением заданного закона изменения положения регулирующего
органа.
Поэтому возникает необходимость в четкой классификации ис-
полнительных механизмов как по виду потребляемой энергии, их
устройству, конструкции и принципу действия, так и по назначе-
нию и характеру их использования в автоматических системах.
По виду потребляемой энергии все исполнительные механиз-
мы подразделяются на следующие группы:
1) электрические, использующие для своего действия электри-
ческую энергию;
2) пневматические, использующие энергию сжатого воздуха или
газа;
169
3) гидравлические, использующие энергию жидкости (гидрав-
лические приводы с рециркуляционной маслосистемой или гидро-
приводы, использующие в качестве энергоносителя транспортиру-
емую по трубопроводам жидкость, например нефть или воду);
4) исполнительные механизмы, использующие энергию паров
воды или легкокипящей жидкости;
5) исполнительные механизмы, использующие энергию газов,
образующихся при взрыве (механизмы взрывного действия);
6) исполнительные механизмы с использованием энергии газов,
образующихся при нормальном протекании химической реакции
(механизмы химического действия);
7) исполнительные механизмы, использующие потенциальную
энергию падающего груза или сжатой пружины (грузовые и пру-
жинные исполнительные механизмы);
Каждую группу исполнительных механизмов, в свою очередь,
можно классифицировать по типу, конструкции и принципу дей-
ствия применяемого двигателя (например, электромоторные, соле-
ноидные, мембранные, поршневые и др.), виду преобразовательно-
го устройства и т. д.
По своему исполнению исполнительные механизмы бывают
нормального и специального исполнения. К последним относятся
исполнительные механизмы взрыво- и водозащищенные, тропиче-
ского и морского исполнения, вибро- и морозостойкие и т.д.
По характеру и назначению в автоматических системах ис-
полнительные механизмы подразделяются:
на работающие по дискретному принципу («открыто—закрыто»);
работающие по закону непрерывной функции. К ним относятся
исполнительные механизмы позиционного действия, исполни-
тельные механизмы пропорционального действия, осуществля-
ющие регулирование системы по постоянному параметру, а так-
же некоторые специальные исполнительные механизмы дис-
танционного управления, работающие в комплексе с другими
автоматическими устройствами (например, электронными регу-
ляторами);
исполнительные механизмы следящего и программного дей-
ствия.
Задача исполнительного механизма, осуществляющего регули-
рование системы по постоянному параметру, — поддержание по-
стоянным одного заданного параметра. Следящий исполнитель-
ный механизм сообщает ведомому звену движение, согласованное
с определенной точностью с ведущим перемещением, задаваемым
исполнительному механизму маломощным устройством.
170
Программный исполнительный механизм обеспечивает измене-
ние регулируемого звена по заранее заданному закону в зависимо-
сти от времени или какой-либо другого параметра.
По скорости вращения (движения) исполнительные механиз-
мы подразделяются на тихоходные и быстроходные. Классифика-
ция по этому признаку является условной, так как для разных про-
цессов одни и те же исполнительные механизмы при одной и той же
скорости их выходных звеньев могут считаться и быстроходными,
и тихоходными.
По времени работы исполнительные механизмы подразделя-
ются на три группы:
1) с продолжительным режимом работы;
2) кратковременным режимом работы;
3) повторно-кратковременным режимом работы.
Этот признак имеет существенное значение для электрических
исполнительных механизмов, где режимы работы определяют их
тепловые нагрузки.
По способу управления исполнительные механизмы подразде-
ляются на механизмы:
местного действия;
дистанционного действия;
телеуправляемые.
Классифицировать исполнительные механизмы можно также
по другим признакам. Например, исполнительные механизмы, осу-
ществляющие переключение затворов напорных трубопроводов
в зависимости от времени срабатывания дросселирующего органа
затвора, подразделяются:
на быстродействующие, переключающие трубопровод мгновенно;
с плавным дросселированием проходного сечения и т. д.
Электрические исполнительные механизмы получили большое
распространение в различных системах автоматики. Преимуще-
ства электрических исполнительных механизмов по сравнению
с исполнительными механизмами, использующими для своей рабо-
ты другие виды энергии, заключаются в следующем:
неограниченный радиус действия и управления;
возможность их применения при отрицательной температуре
окружающей среды;
простота эксплуатации;
отсутствие сложной системы трубопроводов, требующих без-
укоризненной герметизации.
В зависимости от применяемого первичного двигателя электри-
ческие исполнительные механизмы подразделяются на моторные
171
и соленоидные. В моторных исполнительных механизмах, которые
иногда называются электрическими приводами, силовым элемен-
том является электродвигатель постоянного или переменного тока
(асинхронный, синхронный или коллекторный).
В соленоидных исполнительных механизмах (их часто называют
электромагнитными приводами) силовым элементом является со-
леноид, или электромагнит постоянного или переменного тока.
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ
И СТРУКТУРНЫЕ СХЕМЫ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
И СИГНАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО
ПРОЦЕССА
4.11.
Многочисленные и очень разнообразные автоматические
устройства по основному назначению подразделяются на четыре
группы.
1. Устройства автоматического контроля и сигнализации, служа-
щие для контроля за ходом того или иного процесса или состоянием
того или иного объекта. В отличие от обычного контроля, осущест-
вляемого при помощи измерительных приборов (вольтметров, ам-
перметров, термометров и т.д.), автоматический контроль не тре-
бует постоянного или периодического наблюдения за показаниями
приборов. Устройство автоматического контроля и сигнализации
подает определенный сигнал при изменении заданного режима
или нарушении нормальных условий работы.
2. Устройства автоматической защиты и блокировки, предна-
значенные для предотвращения аварий и несчастных случаев при
нарушении нормального режима работы или правил эксплуата-
ции различных установок. Они являются дальнейшим развитием
устройств первой группы. При наличии устройств автоматическо-
го контроля и сигнализации переключения в схеме осуществляет
оператор после получения сигнала о нарушении заданного режима
работы. Применение автоматической защиты и блокировки позво-
ляет осуществлять эти действия без оператора, так как сигнал сам
воздействует на соответствующие элементы схемы, осуществляю-
щие переключение или полное выключение аппаратуры. Таким
сигналом могут быть отклонение тока или напряжения от нормаль-
ного значения, изменение температуры, давления и т.п. Автома-
тическая защита особенно важна там, где необходимо быстродей-
172
ствие, недоступное человеку, или там, где присутствие человека не-
возможно по причинам безопасности.
Как правило, устройства автоматической защиты и блокировки
соединяются с устройством, сигнализирующим о возникшем нару-
шении в работе аппаратуры.
3. Устройства автоматического регулирования, предназначен-
ные для поддержания постоянства положения или состояния ка-
кого-либо объекта или же для их изменения по некоторому зако-
ну, который в общем случае заранее может быть и не известен.
Эти устройства выполняют более сложные функции по сравнению
с устройствами, рассмотренными ранее. Действительно, устрой-
ства защиты и блокировки выполняют лишь простейшие операции
(выключение или переключение аппаратуры), в то время как си-
стемы автоматического регулирования могут осуществлять управ-
ление по сложным законам, что определяет сложность самих си-
стем.
Устройства автоматического регулирования очень разнообраз-
ны. К ним относятся стабилизаторы напряжения, температуры,
частоты, поддерживающие постоянное значение регулируемых
параметров, системы самонаведения боевых ракет, системы авто-
матического радиолокационного сопровождения цели, системы ав-
томатической подстройки частоты и другие устройства, в которых
закон изменения регулируемого параметра заранее не известен.
В состав систем автоматического регулирования как вспомога-
тельные элементы могут входить устройства автоматической защи-
ты и блокировки, контроля и сигнализации.
4. Счетно-решающие приборы, в которых средства автомати-
зации используются для облегчения и ускорения вычислительной
работы. Современные универсальные счетно-решающие приборы
могут решать самые разнообразные задачи, выполняя не только
чисто математические, но и логические операции. Более того, они
в зависимости от промежуточных результатов вычислений сами из-
меняют направление вычислительного процесса. Это не просто ме-
ханизация, а автоматизация умственного труда. Счетно-решающие
приборы применяются не только для вычислительных работ. Они
дают возможность определенным образом моделировать работу
сложных объектов или процессы в них. Это позволяет еще до по-
строения того или иного объекта достаточно точно испытать его
на модели и в зависимости от результатов испытания внести необ-
ходимые изменения в проект.
В состав счетно-решающих устройств, как правило, входят авто-
матические системы всех трех рассмотренных ранее групп.
173
4.12.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СИСТЕМ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
В современном промышленном производстве число контроли-
руемых параметров технологических процессов становится на-
столько большим, что оператор не в состоянии следить за показа-
ниями приборов и делать правильные выводы из получаемой ин-
формации,
В связи с этим возникла необходимость в создании систем цен-
трализованного контроля, с помощью которых можно было бы осу-
ществлять быстродействующий последовательный опрос состоя-
ния контролируемых величин, производить их простейшую обра-
ботку и регистрацию.
Система автоматического контроля представляет собой сово-
купность отдельных элементов, последовательно воздействующих
друг на друга.
В зависимости от функции воспроизводящего элемента систе-
мы автоматического контроля подразделяются на измерительные
системы, системы сигнализации и сортировки (система контроля
готовой продукции).
В автоматических измерительных системах воспроизводя-
щий элемент указывает или регистрирует текущее значение кон-
тролируемого параметра. Как правило, эта система представляет
собой прибор, предназначенный для одного параметра (температу-
ры, давления, запыленности и т.д.).
Автоматическая система сигнализации используется для опо-
вещения обслуживающего персонала о возникших отклонениях
в контролируемом объекте путем подачи звуковых или световых
сигналов. Автоматические системы сигнализации в зависимости
от их назначения подразделяются на контрольные и предупреди-
тельные.
Автоматическая система сортировки осуществляет контроль
обработанных изделий по их качественным и количественным при-
знакам.
По структуре автоматические системы измерения подразделя-
ются на системы с разомкнутой структурой, т.е. системы прямого
преобразования (небалансные), и системы с замкнутой структурой
(балансные).
Принцип действия небалансных систем основан на непосред-
ственном измерении выходного сигнала первичного преобразова-
теля. Все преобразования от выходного сигнала преобразователя
174
X до выходного сигнала У всей системы имеют одно направление
к выходу,
Балансные системы имеют замкнутую схему. В них контролиру-
емая величина А уравновешивается известной величиной того же
рода (например, напряжение уравновешивается напряжением).
Любое техническое устройство, воздействующее на объект
управления в соответствии с алгоритмом управления, называется
автоматическим управляющим устройством.
Совокупность автоматического управляющего устройства
и объекта управления, связанных и взаимодействующих между со-
бой в соответствии с алгоритмом управления, называется системой
автоматического управления (САУ). В процессе работы система
автоматического управления испытывает на себе различные вну-
тренние и внешние воздействия.
Внутренними, называются такие воздействия, которые переда-
ются от одной части автоматической системы к другой, образуя по-
следовательную цепь воздействий, обеспечивающих нормальное
протекание технологического процесса. Их называют также управ-
ляющими бездействиями.
Внешние воздействия подразделяются на два вида. Первые, не-
обходимые для нормального протекания технологического процес-
са, подаются на вход системы в соответствии с алгоритмом функ-
ционирования; их называют задающими воздействиями. Вторые
поступают в систему (объект управления) из внешней среды. Они
не планируются в работе системы, носят случайный характер и за-
трудняют управление, поэтому их называют возмущающими воз-
действиями.
Значение управляемой величины, которое следует поддержи-
вать в данный момент времени для правильного протекания техно-
логического процесса, называется предписанным (заданным) зна-
чением, а фактическое, т.е. измеряемое значение, — действитель-
ным (текущим).
Разница между заданным и действительным значениями регу-
лируемой величины называется рассогласованием.
Все виды оборудования должны работать в стационарном (уста-
новившемся) режиме. Однако в реальных эксплуатационных усло-
виях установившийся режим постоянно нарушается в результа-
те различных внешних возмущений, что приводит к изменению
различных параметров технологического процесса. Поэтому не-
обходимо управлять оборудованием (объектом управления), т. е.
вырабатывать управляющее воздействие с таким расчетом, чтобы
управляемая величина изменялась бы в соответствии с заданным
175
законом (программой) независимо от влияния на объект возмуща-
ющего воздействия. Для плавильных и термических печей управ-
ляемой величиной является температура, управляющим воздей-
ствием — напряжение на электродах или нагревательных элемен-
тах, а основным возмущающим воздействием является изменение
тепловых потерь.
4.13.
КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Классифицировать системы автоматического управления мож-
но по методу управления и функциональному признаку (рис. 4.11).
По методу управления все системы подразделяются на два клас-
са: обыкновенные (несамонастраивающиеся) и самонастраиваю-
Рис. 4.11. Классификация систем автоматического управления
176
щиеся (адаптивные). Обыкновенные системы, относящиеся к ка-
тегории простых, не изменяют своей структуры в процессе управ-
ления. Они наиболее разработаны и широко применяются. Обык-
новенные САУ подразделяются на три подкласса: разомкнутые,
замкнутые и комбинированные системы управления.
Разомкнутые САУ, в свою очередь, подразделяются на системы
автоматического жесткого управления (САЖУ) и системы управле-
ния по возмущению. У первых систем регулятор Р (рис. 4,12, а) воз-
действует на объект управления (ОУ) независимо от полученного
результата, т. е. значения регулируемой величины X(t) и внешнего
возмущения Z(t). Системы управления по возмущению (рис. 4.12, б)
работают по принципу, когда управляющее воздействие У( t) выра-
батывается в зависимости от внешнего возмущения Z(t), оказыва-
ющего влияние на объект управления.
а б
9
Рис. 4.12. Схемы управления:
а — разомкнутая схема управления; б — разомкнутая схема управления по откло-
нению; в — замкнутая схема управления; г — комбинированная схема управления;
д — самонастраивающаяся система управления; Р — регулятор; ОУ — объект управ-
ления; ЭС — элемент сравнения; УДВ — устройство анализа задающего воздействия;
ВУ — вычислительное устройство; ИУ — исполнительное устройство; АУУ — автома-
тическое управляющее устройство; УДО — устройство анализа объекта управления
177
В качестве примера можно рассмотреть систему отопления ли-
тейного или термического цеха. В этом случае расход горячей воды
в теплотрассе цеха зависит от внешних погодных условий. Чем хо-
лоднее на улице, тем больше подается горячей воды в батареи ото-
пления, и наоборот.
Замкнутые системы автоматического управления, работаю-
щие по принципу отклонения, называются также системами ав-
томатического регулирования (САР). Их отличительной чертой
является наличие замкнутого контура прохождения сигналов, т.е.
наличие обратного канала, по которому информация о состоянии
регулируемой величины X(t) передается на вход элемента сравне-
ния (ЭС) (рис. 4.12, в).
Системы автоматического регулирования предназначены для
решения трех задач: стабилизации регулируемой величины (ста-
билизирующая САР), изменения регулируемой величины по из-
вестной (программная САР) или неизвестной (следящая САР) про-
грамме.
В стабилизирующих САР заданное значение регулируемой вели-
чины постоянно. Примером такой системы может служить система
регулирования температуры в рабочем пространстве термической
печи.
В программных САР значение регулируемой величины изме-
няется во времени по заранее разработанной (известной) про-
грамме.
В следящих системах заданное значение регулируемой вели-
чины изменяется во времени по заранее неизвестной программе.
Следящие и программные САР отличаются от стабилизирующих
принципом обработки задающего сигнала. Наиболее типичным
примером следящего регулирования является автоматическое под-
держание заданного соотношения между расходами топлива и воз-
духа при регулировании процесса горения в топливных плавильных
и нагревательных печах.
Комбинированные системы (рис. 4.12, г) сочетают в себе досто-
инства систем управления по отклонению и по возмущению, что
повышает точность управления. Действие неучтенных возмуще-
ний в комбинированных системах компенсируется или ослабляет-
ся управлением по отклонению.
Самонастраивающиеся (адаптивные) системы (рис. 4.12, д) под-
разделяются на экстремальные системы, системы с самонастрой-
кой параметров и системы с самонастройкой структуры.
Системами экстремального регулирования называются систе-
мы стабилизирующего, следящего или программного управления,
178
у которых настройка, программа или закон воспроизведения ав-
томатически изменяются в зависимости от изменения внешних
условий или внутреннего состояния системы в целях создания
наивыгоднейшего (оптимального) режима работы объекта управ-
ления.
В таких системах вместо постоянной настройки или программы
устанавливается устройство автоматического поиска, которое про-
водит анализ какой-либо характеристики объекта (коэффициента
полезного действия, производительности, экономичности и т. п.)
и в зависимости от полученного результата подает в управляющее
устройство требуемое значение регулируемой величины, так что-
бы данная характеристика получила экстремальное значение при
непрерывном изменении различных возмущающих воздействий,
оказывающих влияние на условия работы системы. В системах с са-
монастройкой параметров при изменении внешних условий или
характеристик объекта регулирования происходит автоматическое
(не по заранее заданной программе) изменение варьируемых пара-
метров управляющего устройства в целях обеспечения устойчивой
работы системы и поддержания регулируемой величины на задан-
ном или оптимальном уровне.
В системах с самонастройкой структуры при изменении внеш-
них условий и характеристик объекта управления происходит пе-
реключение элементов в схеме соединений или введение в нее но-
вых элементов.
Целью таких изменений (отбора) структуры является достиже-
ние лучшего решения задачи управления. Отбор структуры осу-
ществляется путем автоматического поиска с применением вычис-
лительных и логических операций. Такие системы должны не толь-
ко приспосабливаться ко всем изменениям внешних условий и ха-
рактеристик объекта, но и функционировать нормально даже при
наличии неполадок или отказов отдельных элементов, создавая но-
вые цепи взамен нарушенных. Системы с самонастройкой структу-
ры можно заставить самосовершенствоваться, «приобретать опыт»
путем быстрого опробования нескольких вариантов, отбора и запо-
минания лучшего из них.
Согласно классификации по функциональному признаку все
автоматические системы управления подразделяются на четыре
класса:
1) системы для координации работы механизмов;
2) системы регулирования параметров технологических процес-
сов;
3) системы автоматического контроля;
179
4) системы автоматической защиты и блокировки рабочих ме-
ханизмов.
Системы, предназначенные для координации работы отдельных
механизмов установки или установки в целом, являются системами
автоматического жесткого управления. Системы автоматического
регулирования технологических процессов обеспечивают поддер-
жание регулируемой величины на заданном уровне или изменение
ее по заданной программе.
Системы автоматического контроля (САК) содержат средства
и методы для получения информации о текущих значениях пара-
метров технологических процессов (температуры, давления, запы-
ленности или загазованности воздуха и др.) без непосредственного
участия человека. Системы автоматической защиты (САЗ) и блоки-
ровки (САБ) предотвращают возникновение аварийных ситуаций
в работе оборудования при установившемся режиме.
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА
4.14.
Российские ученые были пионерами не только в практике соз-
дания электроприводов еще в первой половине XIX в., но и в фор-
мировании основ и фундаментальных положений этой науки в по-
следней четверти XIX и первой четверти XX в. Большинство из них
работало в Ленинграде.
Упомянем некоторые важнейшие вехи из этой истории и име-
на наших соотечественников. Наибольший вклад в новую нау-
ку внесли профессора С.А.Ринкевич и В.К.Попов (1895—1948)
в 1920— 1930-е гг.
Современный электропривод представляет собой конструк-
тивное единство электромеханического преобразователя энергии
(двигателя), силового преобразователя и устройства управления.
Он обеспечивает преобразование электрической энергии в меха-
ническую в соответствии с алгоритмом работы технологической
установки.
Сфера применения электрического привода в промышленно-
сти, на транспорте и в быту постоянно расширяется. В настоящее
время уже более 60% всей вырабатываемой в мире электрической
энергии потребляется электрическими двигателями. Следователь-
но, эффективность энергосберегающих технологий в значитель-
ной мере определяется эффективностью электропривода.
180
Разработка высокопроизводительных, компактных и экономич-
ных систем привода является приоритетным направлением разви-
тия современной техники.
Последнее десятилетие XX в. ознаменовалось значительными
успехами силовой электроники — было освоено промышленное
производство биполярных транзисторов с изолированным затвором
(IGBT), силовых модулей на их основе (стойкие и целые инверторы),
а также силовых интеллектуальных модулей (IPM) со встроенными
средствами защиты ключей и интерфейсами для непосредственно-
го подключения к микропроцессорным системам управления.
Рост степени интеграции в микропроцессорной технике и пе-
реход от микропроцессоров к микроконтроллерам с встроенным
набором специализированных периферийных устройств сделали
необратимой тенденцию массовой замены аналоговых систем
управления приводами на системы прямого цифрового управле-
ния.
Анализ продукции ведущих мировых производителей систем
привода и материалов, опубликованных научных исследований
в этой области позволяет отметить следующие тенденции развития
электропривода.
Неуклонно снижается доля систем привода с двигателями посто-
янного тока и увеличивается доля систем привода с двигателями пе-
ременного тока, что связано с низкой надежностью механического
коллектора и более высокой стоимостью коллекторных двигателей
постоянного тока по сравнению с двигателями переменного тока.
По прогнозам специалистов в начале XXI в. доля приводов постоян-
ного тока сократится до 10% общего числа приводов.
Преимущественное применение в настоящее время имеют при-
вода с короткозамкнутыми асинхронными двигателями. Большин-
ство таких приводов (около 80 %) — нерегулируемые. В связи с рез-
ким удешевлением статических преобразователей частоты доля
частотно-регулируемых асинхронных электроприводов быстро
увеличивается.
Естественной альтернативой коллекторным приводам постоян-
ного тока являются приводы с вентильными, т.е. электронно-ком-
мутируемыми, двигателями.
В качестве исполнительных бесколлекторных двигателей посто-
янного тока (БДПТ) преимущественно применяются синхронные
двигатели с возбуждением от постоянных магнитов или с электро-
магнитным возбуждением (для больших мощностей). Этот тип при-
вода наиболее перспективен для станкостроения и робототехники,
однако является самым дорогостоящим. Некоторого снижения сто-
181
имости можно добиться при использовании синхронного реактив-
ного двигателя в качестве исполнительного.
Приводом следующего века по прогнозам большинства специа-
листов станет привод на основе вентильно-индукторного двигателя
(ВИД), Двигатели этого типа просты в изготовлении, технологичны
и имеют низкую стоимость. Они имеют пассивный ферромагнит-
ный ротор без каких-либо обмоток или магнитов.
Вместе с тем высокие потребительские свойства привода могут
быть обеспечены только при применении мощной микропроцес-
сорной системы управления в сочетании с современной силовой
электроникой. Усилия многих разработчиков в мире сконцентриро-
ваны в этой области.
Для типовых применений перспективны индукторные двигате-
ли с самовозбуждением, а для тяговых приводов — индукторные
двигатели с независимым возбуждением со стороны статора. В по-
следнем случае появляется возможность двухзонного регулиро-
вания скорости по аналогии с обычными приводами постоянного
тока. Для большинства массовых применений приводов (насосы,
вентиляторы, конвейеры, компрессоры и т.д.) требуются неболь-
шой диапазон регулирования скорости (до 1:10, 1:20) и относи-
тельно низкое быстродействие. При этом целесообразно исполь-
зовать классические структуры скалярного управления. Переход
к широко диапазонным (до 1:10000) быстродействующим приво-
дам станков, роботов и транспортных средств требует примене-
ния более сложных структур векторного управления. Доля таких
приводов составляет сейчас около 5 % от общего числа и постоянно
растет.
В последнее время на базе систем векторного управления разра-
ботан ряд приводов с прямым цифровым управлением моментом.
Отличительной особенностью этих решений является предельно
высокое быстродействие контуров тока, реализованных, как пра-
вило, на базе цифровых релейных регуляторов или регуляторов,
работающих на принципах нечеткой логики. Системы прямого
цифрового управления моментом ориентированы в первую оче-
редь на транспорт, использование в кранах, лифтах, робототех-
нике. Усложнение структур управления приводами потребовало
резкого увеличения производительности центрального процессора
и перехода к специализированным процессорам с объектно-ори-
ентированной системой команд, адаптированной к решению задач
цифрового регулирования в реальном времени.
Рост вычислительных возможностей встроенных систем управ-
ления приводами сопровождается расширением их функций. Кро-
182
ме прямого цифрового управления силовым преобразователем
реализуются дополнительные функции поддержки интерфейса
с пользователем (через пульт оперативного управления), а также
управления технологическим процессом. В состав системы управ-
ления входят: универсальный регулятор технологической пере-
менной, а также генератор управляющих воздействий на базе ча-
сов реального времени. Такое решение позволяет поддерживать
давление в трубопроводе на заданном, в соответствии с суточной
циклограммой, уровне только средствами электропривода, без ис-
пользования промконтроллеров.
Перспективные системы управления электроприводами раз-
рабатываются с ориентацией на комплексную автоматизацию
технологических процессов и согласованную работу нескольких
приводов в составе промышленной сети. Стремление предельно
удешевить привод, особенно для массовых применений в бытовой
технике (пылесосы, стиральные машины, холодильники, конди-
ционеры и т. д.), привело к отказу от датчиков механических пере-
менных и переходу к системам бездатчикового управления, где для
оценки механических координат привода (положения, скорости,
ускорения) используются специальные цифровые наблюдатели.
Это возможно только при высокой производительности централь-
ного процессора, когда система дифференциальных уравнений,
описывающих поведение привода, может быть решена в реальном
времени.
Возросшие возможности микропроцессорной техники привели
к тому, что при массовом производстве изделий с объемом выпу-
ска не менее 10000 шт. в год оказывается возможным и экономи-
чески целесообразным создание мощных однокристальных систем
управления приводами на базе DSP-микроконтроллеров. Их стои-
мость при ограниченных интерфейсных функциях не будет пре-
вышать 10...20 долл. США. Основные затраты при разработке си-
стем управления приводами приходятся не на создание аппаратной
части контроллера, а на разработку алгоритмического и програм-
много обеспечения. Поэтому роль специалистов в области теории
электропривода существенно возрастает.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каковы задачи автоматики как отрасли науки?
2. Что понимается под управляющим, возмущающим, задающим
воздействиями?
183
3. В чем заключается различие технической, экономической и со-
циальной направленностей автоматизации?
4. Перечислите виды автоматизации по выполняемым функциям.
5. Каково назначение функций элементов автоматики: измеритель-
ной, преобразовательной,исполнительной?
Б. Объясните понятия «порог чувствительности» и «зона нечувстви-
тельности», покажите их на графике.
7. В чем заключается различие между параметрическими и гене-
раторными преобразователями?
8. Что такое автоматическая система управления технологическими
процессами (АСУ ТП)?
9. Требуется ли участие человека в системе АСУ ТП; если да, то за-
чем?
10. Расскажите о тенденциях развития автоматизации производ-
ства.
Глава 5
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ОБРАБАТЫВАЮЩИХ УСТАНОВОК
5.1.
ОСНОВНЫЕ И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
ДВИЖЕНИЯ В СТАНКАХ,
КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
Процесс получения на металлорежущих станках деталей опре-
деленной формы заключается в снятии с заготовки лишнего ме-
талла инструментом, режущая кромка которого перемещается от-
носительно заготовки. Необходимое относительное перемещение
создается в результате сочетания движений заготовки и инстру-
мента. Эти движения называются основными, или рабочими, и под-
разделяются на главное движение (движение резания) и движение
подачи.
За счет главного движения на станке осуществляется
процесс резания металла инструментом, совершаемый обычно
с большой скоростью. Движение подачи служит для переме-
щения инструмента или детали в целях придания изделию опреде-
ленной формы.
В зависимости от вида обработки основные движения могут
иметь различный характер. Так, при строгании сочетаются посту-
пательное движение детали или инструмента (движение резания)
и перпендикулярное к нему поступательное движение инструмента
(подача); при токарной обработке происходят вращение заготовки
и поступательное движение инструмента; фрезерование осущест-
вляется путем сочетания вращательного движения инструмента
и поступательного движения заготовки; при сверлении оба основ-
ных движения совершает инструмент и т. д.
185
Главные движения в станках осуществляются обычно при помо-
щи электроприводов (иногда применяются и гидроприводы), дви-
жения подачи — либо через механическую передачу от главного
привода, либо от отдельных электро- или гидроприводов.
Кроме основных движений в станках имеются вспомогательные
движения. Они непосредственно не участвуют в процессе резания,
но необходимы для обработки изделий (например, для установки
инструмента, автоматического подвода его к заготовке и обратно-
го отвода, контроля размеров в процессе обработки, подачи смазки
и охлаждающей жидкости и т.д.).
Передача движений в станках от двигателей к рабочим орга-
нам осуществляется кинематическими цепями механизмов стайка.
Структуру этих цепей, их взаимные связи и особенности можно
проследить по кинематической схеме станка. По такой схеме легко
рассчитываются скорости движения рабочих органов станка или,
наоборот, по заданным скоростям движения рабочих органов нахо-
дятся требуемые значения скорости вращения двигателей. Кинема-
тическая схема нужна также для определения моментов, действую-
щих на валу двигателя, коэффициента полезного действия и т. п.
5.2.
ВЫБОР ТИПА ЭЛЕКТРОПРИВОДА
ОСНОВНЫХ ДВИЖЕНИЙ СТАНКОВ
Одним из важнейших вопросов электрооборудования металлоре-
жущих станков является выбор типа электропривода для основных
движений. На этот выбор оказывают влияние следующие факторы:
1) диапазон и плавность регулирования скорости рабочего ме-
ханизма;
2) характер нагрузки привода;
3) частота включений привода;
4) соотношение периодов машинного и вспомогательного вре-
мени работы станка;
5) энергетические показатели работы привода: КПД и cos ср;
6) надежность привода, простота его обслуживания и наладки.
Каждый из перечисленных факторов может иметь решающее
значение при выборе типа электропривода для металлорежущих
станков.
Регулирование скорости приводов главного движения (глав-
ных приводов) станков производится в диапазоне от (3...6) : 1 до
(100... 120) : 1 и более и может быть осуществлено одним из следую-
щих способов:
186
1) механическим — изменением передаточного отношения
от двигателя к рабочему органу станка;
2) электрическим — изменением скорости вращения двигателя;
3) электромеханическим — комбинированием двух первых спо-
собов.
При этом механическое регулирование, как правило, является
ступенчатым, а электрическое может быть и ступенчатым, и бес-
ступенчатым. Механические характеристики электродвигателей
главных приводов должны быть жесткими. Перепад скорости при
изменении нагрузки на валу двигателя от холостого хода до номи-
нальной не должен превышатьб... 10%.
Нагрузка двигателя главного привода при регулировании скоро-
сти меняется по-разному для различных станков. Так, для станков
с вращательным главным движением (токарных, карусельных, фре-
зерных и т.д.) мощность Р, подводимая к шпинделю станка, на зна-
чительной части диапазона регулирования скорости D = nmex/nmin
должна быть постоянной (рис. 5.1, а). У станков с возвратно-посту-
пательным главным движением, например продольно-строгальных,
наоборот, на большей части диапазона регулирования при рабочем
ходе сохраняется постоянство момента нагрузки М (рис. 5.1, б).
Главный привод токарных, фрезерных, расточных и ряда других
станков работает с редкими включениями (особенно это характер-
но для тяжелых станков). Главный привод продольно-строгальных
станков для обеспечения возвратно-поступательного движения де-
тали, наоборот, должен часто реверсироваться. При этом в целях
сокращения времени обратного хода, когда резания не происходит,
необходимо, чтобы скорость обратного хода была больше скорости
рабочего хода.
Таким образом, условия, с учетом которых должен выполняться
главный привод, очень многообразны для различных станков. Поэ-
тому решение о выборе того или иного типа привода принимается
Рис. 5.1. Графики зависимости мощности Р и момента М от скорости для
главных приводов станков
187
в каждом случае на основе всестороннего сравнения нескольких
вариантов и должно быть обосновано технически и экономически.
Далее приведены некоторые общие положения, которые нужно
иметь в виду при выборе типа главного привода. Как при проектиро-
вании новых, так и при модернизации старых станков следует рас-
смотреть возможность применения трехфазного короткозамкнуто-
го асинхронного электродвигателя, наиболее дешевого, простого
в управлении, надежного и удобного в эксплуатации. Регулирование
скорости в этом случае производится посредством механического
переключения шестерен в коробке скоростей станка. В некоторых
станках небольших размеров применяются вариаторы — механиче-
ские устройства для бесступенчатого регулирования скорости.
Для станков малых и средних размеров выгоднее применять
короткозамкнутые двигатели на синхронные скорости вращения
3000 и 1500 об/мин, имеющие хорошие энергетические показа-
тели (КПД и cos<p). Для электроприводов тяжелых станков целесо-
образнее выбирать тихоходные двигатели, с тем чтобы упростить
кинематическую цепь, так как стоимость ее с увеличением пере-
даваемой мощности значительно возрастает. Иногда рационально
применение многоскоростных асинхронных двигателей с пере-
ключением числа пар полюсов.
Для тяжелых универсальных станков обычно требуется бессту-
пенчатое регулирование скорости вращения шпинделя — прихо-
дится применять двигатели постоянного тока. Однако из экономи-
ческих и конструктивных соображений обычно наилучшим оказы-
вается не чисто электрическое, а электромеханическое регулирова-
ние. Электрическое регулирование достаточно осуществить лишь
в диапазоне (3...4) : 1 (иногда до (6...8) : 1) при общем диапазоне
(60... 120) : 1. Коробка скоростей в этом случае будет простой, рас-
считанной натри ступени скорости.
Целесообразность применения двигателей постоянного тока
возникает также в тех случаях, когда требуется автоматическое ре-
гулирование скорости главного привода станка в процессе обработ-
ки, а также при частых реверсах привода.
Наиболее просто можно регулировать скорость двигателей по-
стоянного тока с параллельным возбуждением путем ослабления
магнитного потока двигателя. Диапазон регулирования достига-
ет (3...5) : 1 при Р - const. Этот способ удобен при наличии в цехе
машиностроительного завода сети постоянного тока, а также если
несколько станков, требующих плавного регулирования скорости,
устанавливаются рядом. В последнем случае возможно поставить
одну общую преобразовательную установку переменного тока в по-
188
стоянный для питания двигателей этих станков. Кроме того, могут
создаваться компактные выпрямительные устройства с силовыми
кремниевыми вентилями и встраиваться в станки для питания от-
дельных двигателей постоянного тока.
Если главный привод требует бесступенчатого регулирования ско-
рости в широких пределах при М=const или работает в режиме частых
реверсов, целесообразно применение системы электропривода с ре-
гулированием скорости двигателя изменением напряжения на яко-
ре; генератор—двигатель (Г—Д), магнитный усилитель—двигатель
(МУ—Д), тиристорный преобразователь—двигатель (ТП—Д).
Приводы подачи станков характеризуются значительным диа-
пазоном изменения скорости (до 1 000: 1 и более) при постоянстве
момента нагрузки, определяемого наибольшим усилием подачи.
Механическая характеристика привода подачи п - f(M), как и для
главного движения, должна быть жесткой. В зависимости от вида
технологического процесса обработки деталей подачи измеряются
в миллиметрах на один оборот шпинделя (собственно подача) или
в миллиметрах в минуту (скорость подачи).
Применяются следующие типы приводов подачи:
1) от главного привода через механическую передачу;
2) отдельного электродвигателя;
3) гидропривода.
Осуществление подачи от главного привода позволяет сохранить
постоянным установленное соотношение между скоростью подачи
и скоростью вращения шпинделя (планшайбы) станка, что является
обязательным для выполнения таких работ, как нарезание резьбы,
фрезерование и шлифование зубчатых колес и т.д. Вместе с тем при
таком способе невозможно плавное изменение скорости подачи
в процессе резания и значительно усложняется кинематика станка.
В токарных, карусельных, строгальных, фрезерных, расточных
и некоторых других станках привод подачи часто выполняется
от отдельного электродвигателя. Это упрощает кинематику станка
и облегчает его автоматизацию. Момент сопротивления Мс на валу
двигателя подачи создается в основном силами трения, возникаю-
щими при перемещении элементов станка. При пуске двигателя
значение Мс будет больше, чем во время работы, так как коэффи-
циент трения покоя |л0 больше коэффициента трения движения ц.
Это обстоятельство следует учитывать при выборе электродвигате-
ля. Мощность двигателя подачи составляет обычно 1... 6 % мощно-
сти двигателя главного привода.
Для отдельных электроприводов подачи металлорежущих стан-
ков следует применять асинхронные короткозамкнутые двигатели
189
с повышенным пусковым моментом. Регулирование скорости пода-
чи в этом случае производится изменением передаточного числа ко-
робки скоростей или переключением числа пар полюсов двигателя,
В тех случаях, когда требуется плавное изменение величины по-
дачи (например, в тяжелых карусельных, фрезерных и шлифоваль-
ных станках), применяют двигатели постоянного тока с питанием
их по системе ЭМУ—Д, МУ—Дили ТП—Д.
В последнее время получили широкое применение гидроприводы
для осуществления поступательных движений узлов станков (напри-
мер, силовых головок в агрегатных станках, суппортов в гидрокопиро-
вальных и других специальных станках и т.д.). Гидропривод позволяет
бесступенчато регулировать скорость на ходу в широких пределах,
быстро реверсировать движение или прекращать его, развивать зна-
чительные тяговые усилия при медленных перемещениях, осущест-
влять простыми средствами полную автоматизацию цикла работы
станка. Гидроприводы также применяются в зажимных устройствах
станков для закрепления обрабатываемых деталей, механизмах пере-
ключения передвижных блоков шестерен в коробках скоростей и т. п.
Как уже отмечалось ранее, при механическом или электроме-
ханическом ступенчатом регулировании скорости рабочих орга-
нов станка изменяется передаточное отношение кинематической
цепи. Также при помощи механических или электромеханических
устройств часто осуществляются пуск, реверсирование и торможе-
ние рабочего органа.
ВЫБОР ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
ДЛЯ СТАНКОВ ПО ФОРМЕ ИСПОЛНЕНИЯ
5.3.
При работе электродвигателей в условиях цеха возможно попа-
дание в них машинного масла, эмульсии, металлической или абра-
зивной пыли и посторонних предметов, поэтому двигатели станков
должны иметь защиту от вредных воздействий окружающей среды.
При обработке на станках легковоспламеняющихся сплавов или
при использовании для охлаждения режущего инструмента керо-
сина, пары которого могут образовать взрывоопасную среду, следу-
ет применять взрывозащищенные электродвигатели. Во всех дру-
гих случаях желательно применять для электроприводов станков
закрытые двигатели с наружным обдувом, особенно если учесть,
что отечественные заводы производят закрытые обдуваемые асин-
хронные электродвигатели, одинаковые по габаритным размерам
с защищенными двигателями той же мощности.
190
Электротехнической промышленностью России выпускаются
асинхронные короткозамкнутые двигатели серий Л2, А02 (AOJT2)
мощностью от 0,6 до 100 кВт для станков нормальной и повышен-
ной точности, с повышенными требованиями к уровню вибрации
и точности по биению фланца. Для станков нормальной точности
следует применять двигатели, соответствующие 2-му классу по ви-
брациям, а для станков повышенной точности — 1 -му классу. В мар-
кировку таких двигателей вносится индекс С1 или С2 (двигатели
для станкостроения 1-го или 2-го класса по вибрациям), например:
А02-41-4-С1 или А02-21-4-С2,
Для современного станкостроения характерно стремление
к упрощению кинематических цепей и снижению потерь в пере-
дачах станков, что, в свою очередь, ведет к органическому слиянию
электрической и механической частей станка.
По способу крепления электродвигателя к станку различают
следующие конструктивные формы электродвигателей:
двигатели нормального исполнения со станиной на лапах —
М101(Щ2);
двигатели специального исполнения со станиной без лап, флан-
цем на подшипниковом щите и расположением вала: горизон-
тальным — М301 (Ф2) или вертикальным — М302 (ВЗ);
встроенные электродвигатели (АВ), валом которых часто служит
один из валов станка (например, шпиндель в шлифовальных
станках), а станиной является корпус той или иной части станка.
Электродвигатель на лапах может устанавливаться только с го-
ризонтальным расположением его вала и соединяется с коробкой
скоростей станка клиноременной передачей. Применение фланце-
вых двигателей, которые могут устанавливаться как горизонтально,
так и вертикально, позволяет упростить конструкцию станка за счет
изъятия конических шестерен, служащих для изменения направле-
ния оси вращения. При непосредственном соединении вала флан-
цевого двигателя со шпинделем станка привод получается наиболее
простым и компактным.
ВЫБОР СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ
СТАНКОВ
5.4.
Эксплуатационные качества станка, такие как производитель-
ность, удобство обслуживания и надежность работы, в большой
степени зависят от системы управления его механизмами. Общими
направлениями развития современного станкостроения являются
191
автоматизация операций управления рабочими движениями и мак-
симальное упрощение операций управления вспомогательными
движениями, которые в некоторых случаях выполняются вручную.
При автоматизации управления облегчаются условия труда рабо-
чего-станочника, который освобождается от тяжелых физических
нагрузок и монотонных утомляющих движений, от необходимости
запоминания зачастую сложной последовательности выполнения
операций по управлению станком.
В соответствии с назначением и конструктивными особенностя-
ми станка к системе управления станком предъявляются следую-
щие требования:
1) безопасность и удобство управления. Для этого органы управ-
ления должны быть расположены в легко доступных местах, скон-
центрированно, чтобы рабочему не приходилось много ходить во-
круг станка; не должно быть открытых токоведущих частей;
2) быстрота управления. На операцию управления должно за-
трачиваться тем меньше времени, чем чаще она производится;
3) точность системы управления. Она устанавливается в зависи-
мости от назначения системы и выполняемой ею функции. В одних
случаях достаточна точность, измеряемая миллиметрами (напри-
мер, при подаче суппорта продольно-строгального станка), в дру-
гих случаях необходимая точность перемещений измеряется соты-
ми долями миллиметра (например, при подаче на глубину резания
в шлифовальных станках).
В настоящее время в системах управления станками применя-
ются механические, электрические, гидравлические и пневмати-
ческие устройства и их сочетания. Электрическая автоматизация
станков имеет значительные преимущества перед другими спосо-
бами автоматизации, так как обеспечивает удобную эксплуатацию
и простую наладку станка, расширяя тем самым возможности соз-
дания и применения станков-автоматов. При электрической си-
стеме автоматизации станков можно осуществить автоматическое
управление рабочими органами и элементами станков в функции
пути, времени, скорости, нагрузки и других величин.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКАХ
5.5.
Все металлообрабатывающие станки по принципу воздействия
на обрабатываемый материал подразделяются на три вида:
1) металлорежущие (резание);
192
2) кузнеч но-прессовые (удар и давление);
3) электротехнологические (электрическая энергия, преобразо-
ванная в другие виды энергии).
Металлорежущие станки предназначены для механической об-
работки металлов режущими инструментами. В настоящее время
они наиболее широко применяются на производстве.
По весогабаритным показателям различают станки:
нормальные массой до Ют;
крупные массой от 10 до 30 т;
тяжелые массой от 30 до 100 т.
По точности обработки станки бывают:
нормальной точности;
повышенной точности;
высокой точности;
особо высокой точности (прецизионные).
По назначению и характеру выполняемых работ металлообра-
батывающие станки подразделяются на семь основных групп: то-
карные, сверлильные, расточные, строгальные, фрезерные, шли-
фовальные и агрегатные.
Краткая общая характеристика металлорежущих станков пред-
ставлена в табл. 5.1.
Внутри каждой группы станки подразделяются на типы (модели).
Таблица 5.1, Общая характеристика металлорежущих станков
№ п/п Группа станков Характеристика Допол! [ительные сведения
1 Токарные Предназначены для обработки поверхностей любой формы, прорезки канавок, нарезки резьбы и т. п. Режущий инструмент — резцы, сверла, развертки, метчики, плашки и др. Главное движение — вращение обрабатываемой детали. Подача — поступательное перемещение суппорта с режу- щим инструментом. Электропривод (в сочетании с коробкой скоростей) — одно- и многоскоростные АД, систе- мы Г-Д или ТП—Д, ДПТ. Универсаль- ные, токарно- винторезные, револьверные, токарно-лобо- вые, карусель- ные, токарно- копировальные, токарные автоматы и по- луавтоматы
193
Продолжение табл, 5.7
No п/п Группа станков Характеристика Дополнительные сведения
Привод подачи — от главного ЭП через многоступенчатую коробку подач. Для тяжелых станков — подача от систем ЭМУ—ДПТ или ТП—ДПТ
2 Сверлильные Предназначены для получения сквозных и глухих отверстий в деталях, развертывания и чи- стовой обработки отверстий после литья или штамповки. Режущий инструмент — свер- ла, развертки. Главное движение — вращение инструмента. Подача — поступательное дви- жение инструмента Вертикально- сверлильные, радиально- сверлильные
3 Расточные Предназначены для обработки крупных деталей с поверхно- стями различной формы. Режущий инструмент — свер- ла, фрезы и метчики. Главное движение — вращение расточного шпинделя. Подача — перемещение шпин- деля или шпиндельной бабки, перемещение стола вместе с заготовкой. Электропривод (в сочетании с коробкой скоростей) — одно- и многоскоростные АД, систе- мы Г-Д, ТП—Д. ЭМУ—Д, ПМУ—Д Горизонталь- но-расточные, координатно- расточные
4 Строгальные Предназначены для обработ- ки плоских, горизонтальных и вертикальных крупных дета- лей большой длины. Режущий инструмент — резец. Главное движение — возврат- но-поступательное движение стола. Продольно- строгальные
194
Продолжение табл. 5.7
№ п/п Группа станков Характер исти ка Дополнительные сведения
Подача — перемещение суп- порта, прерывистое, периоди- ческое. Электропривод (в сочетании с коробкой скоростей) — одно- и многоскоростные АД, системы Г-Д с ЭМУ или МУ, ТП—Д
5 Фрезерные Предназначены для обработ- ки наружных и внутренних, плоских и фасонных поверх- ностей, прорезки прямых и винтовых канавок, нарезки наружных и внутренних резьб, зубчатых колес и т. п. Режущий инструмент — фреза. Главное движение — вращение фрезы. Подача — перемещение из- делия. Электропривод (в сочетании с коробкой скоростей) — одно- и многоскоростные АД, систе- мы Г—ДТП—Д Горизонталь- ные, вертикаль- ные, продоль- но-фрезерные, зубофрезерные, копировально- фрезерные
6 Шлифоваль- ные Предназначены для чистовой обработки деталей снятием тонкого слоя металла с поверх- ности. Режущий инструмент — абра- зивный крут. Главное движение — вращение шлифовального круга. Подача — возвратно-поступа- тельное движение стола с пе- риодическим перемещением в сторону крута и круга на глу- бину резания или круговое перемещение круглого стола и вертикальное перемещение круга на глубину резания. Электропривод (в сочетании с коробкой скоростей) — одно- Кругло шли- фовальные, внутришли- фовальные, плоско шли- фовальные, отделочные, резьбошлифо- вальные и др.
195
Окончание табл. 5.1
№ п/п Группа станков Характеристика Дополнительные сведения
и многоскоростные АД, систе- мы Г-Д, ТП—Д ПМУ—д ЭМУ—Д. Вспомогательный привод — АД
7 Агрегатные Предназначены для выполне- ния работ в условиях крупно- серийного и массового произ- водства. Режущий инструмент — свер- ла, фрезы и др. (в зависимости от операции). Главное движение — движе- ние инструмента (вращение шпинделя). Подача — поступательное дви- жение шпиндельной головки с инструментом. При обработ- ке нескольких деталей — стол поворотный. Электропривод (в сочетании с коробкой скоростей) — одно- и многоскоростные АД, систе- мы Г-Д, ТП—Д, ЭМУ—Д, ПМУ—д
5.6.
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ОБРАБАТЫВАЮЩИХ УСТАНОВОК
Обрабатывающее станочное оборудование используют для по-
лучения готовых деталей путем обработки заготовок из различных
материалов. К нему относятся металлорежущие и деревообрабаты-
вающие станки, установки для электрофизических и электрохими-
ческих методов обработки.
Основными направлениями экономического и социального раз-
вития России предусмотрено обеспечение опережающего выпуска
металлорежущих станков с числовым программным управлени-
ем, станков типа «обрабатывающий центр», тяжелых и уникаль-
ных станков; существенное расширение выпуска станков высокой
196
5.7.
и особо высокой точности; увеличение производства автоматизи-
рованных и роботизированных комплексов и линий гибких произ-
водственных систем механообработки.
НАЗНАЧЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ,
ОБОЗНАЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
И ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩИХ УСТАНОВОК
Металлорежущие станки предназначены для получения деталей
путем снятия припуска с заготовок. Припуск — это избыточный
слой металла, который имеет заготовка по сравнению с готовой де-
талью. Рабочий инструмент, закрепленный на станке, срезает при-
пуск в виде стружки; в результате получается деталь с заданными
размерами, формой и качеством поверхности.
Способ получения деталей резанием (механическая обработка),
несмотря на его неэкономичность (большое количество металла
уходит в стружку), является наиболее распространенным, так как
по сравнению с другими методами механическая обработка обе-
спечивает наибольшее соответствие чертежу получаемых изделий.
Металлорежущие станки — основное оборудование механиче-
ских цехов машиностроительных заводов. Станки классифициру-
ются по различным признакам, основными из которых являются:
назначение, конструктивные особенности, степень универсально-
сти, степень точности, масса, степень автоматизации.
По назначению и конструктивным особенностям все серий-
но выпускаемые станки подразделяются на группы, а каждая груп-
па — на типы. По классификации Экспериментального научно-ис-
следовательского института металлорежущих станков (ЭНИМС)
имеется 9 групп: 1) токарные; 2) сверлильные и расточные; 3) шли-
фовальные и полировальные; 4) комбинированные; 5) зубо- и резь-
бообрабатывающие; 6) фрезерные; 7) строгальные, долбежные
и протяжные; 8) разрезные; 9) разные.
Внутри групп станки различаются по типам, которым также
присваиваются порядковые номера от 1 до 9. Каждая модель стан-
ков получает условное обозначение (шифр) из трех или четырех
цифр. Первая цифра означает группу, к которой относится станок;
вторая — разновидность (тип) станка в пределах данной группы;
третья и четвертая характеризуют один из важнейших эксплуата-
197
ционных размеров (наибольший размер обрабатываемой детали
или условный размер станка). Например, шифр 1326 обозначает
токарно-револьверный станок с наибольшим диаметром обрабаты-
ваемого прутка 26 мм. Часто между первой и второй цифрами или
после всех цифр ставится буква, которая соответственно указыва-
ет, что данный станок представляет собой либо модернизацию уже
имеющейся модели, либо модификацию (видоизменение) базовой
модели (например, продольно-строгальный двухстоечный станок
для обработки изделий размером 400 х 1 500 мм имеет шифр 7242,
а его новая модификация — шифр 7242А). Например, модель 1124
означает: одношпиндельный токарно-револьверный станок-авто-
мат с максимальным диаметром обрабатываемой заготовки 24 мм;
1Б124 — модернизированная модель этого станка (изменена кон-
струкция привода и др.); 16К20П — токарно-винторезный станок
повышенной точности. Иногда буква, стоящая в конце обозначения
модели, указывает на ее конструктивную особенность. Например,
модель 6Н80Г означает: Г — горизонтальный станок; 6 — фрезер-
ный.
В моделях станков с числовым программным управлением (ЧПУ)
в конце шифра вводят букву Ф с цифрой: Ф1 — станки с цифровой
индикацией и предварительным набором координат; Ф2 — с пози-
ционной системой управления; ФЗ — с контурной системой; Ф4 —
с универсальной системой для позиционной и контурной обработ-
ки. Например, индекс 16К20ФЗ означает: токарно-винторезный
станок с высотой центров 200 мм и контурной системой програм-
много управления.
По степени универсальности (специализации) станки под-
разделяются на универсальные, специализированные и специаль-
ные. Универсальные станки общего назначения применяются для
выполнения различных операций при обработке деталей широ-
кой номенклатуры. Они имеют широкий диапазон регулирования
скоростей и подач, снабжены быстродействующими механизмами
управления и быстрых перемещений для установки столов, суп-
портов, бабок в заданное положение. К универсальным станкам от-
носятся токарные, токарно-винторезные, токарно-револьверные,
фрезерные, сверлильные и др. Универсальные станки, как правило,
применяются в мелкосерийном и серийном производствах. Для них
характерны частая смена обрабатываемых деталей и переналадка
инструмента.
Специализированные станки предназначены для обработки
однотипных деталей, сходных по конфигурации, но имеющих раз-
личные размеры. К ним относятся токарно-затыловочные станки,
198
станки для обработки коленчатых валов, зубообрабатывающие
и резьбонарезные станки и др. Для них характерны быстрые пере-
наладка и настройка сменных устройств и приспособлений на об-
работку детали того же наименования, но с другими размерами.
Они применяются в серийном и крупносерийном производствах.
Специальные станки предназначены для обработки одной или
нескольких подобных деталей одного типоразмера или даже для
выполнения отдельных операций, например для фрезерования ло-
паток, турбин, для растачивания отверстий блока цилиндров и т. п.
Применение специальных станков позволяет сократить до мини-
мума вспомогательное и основное технологическое время за счет
автоматизации обработки и применения оптимальных режимов
резания и конструкций инструмента, быстросменной многоинстру-
ментальной оснастки с автоматической подналадкой. Такие станки
применяются в крупносерийном и массовом производствах.
Некоторым моделям специализированных и специальных стан-
ков условные обозначения присваивают заводы-изготовители.
В них могут входить первые буквы наименования завода или станка
и порядковый номер модели. Например, ЕЗ-9 — специальный ста-
нок для нарезания зубчатых реек Егорьевского станкостроительно-
го завода «Комсомолец»; ФРС-1 — специализированный фрезер-
но-расточной сверлильный станок с программным управлением.
По степени точности станки подразделяются на пять клас-
сов. Наиболее распространенный класс Н — нормальной точности,
к которому относится большинство универсальных станков. Класс
П — станки повышенной точности с более высокими требованиями
к точности и качеству изготовления основных деталей станка, их
монтажу и регулированию при сборке. Класс В — станки высокой
точности, отличающиеся от базовой модели применением специ-
альной конструкции отдельных деталей, высокой точности изготов-
ления, качеством сборки и регулирования. Класс А — станки особо
высокой точности, основные и базовые элементы которых изго-
товлены и собраны с более жесткими требованиями, чем в станках
класса В. Класс С — станки особо точные или мастер-станки, пред-
назначенные для изготовления деталей наивысшей точности для
станков класса А и В.
Класс точности станка, кроме нормального, указывается после
индекса его модели (например, модель 16К20В — токарно-винто-
резный станок высокой точности. Станки классов А, Б и С для обе-
спечения высокой точности должны эксплуатироваться в специ-
альных термоконстантных помещениях, в которых необходимо
поддержать постоянными температуру и влажность.
199
Для выполнения операций на станках необходимо обеспечить
три основных вида движений:
1) главное движение — для резания инструментом металла;
2) движение подачи — для перемещения инструмента или заго-
товки;
3) вспомогательные движения — для выполнения вспомогатель-
ных операций, непосредственно не участвующих в процессе реза-
ния.
Главное движение и движение подачи — это рабочие (основные)
движения. Главные движения обеспечиваются электроприводом
(иногда гидроприводом); движения подачи — от главного приво-
да через механическую передачу либо от отдельного электро- или
гидропривода; вспомогательные движения — вручную либо от от-
дельного электро- или гидропривода.
По массе станки подразделяются на легкие (до 1 т), средние
(до 10 т) и тяжелые (свыше Ют). Тяжелые станки бывают крупные
(до 30 т) и собственно тяжелые (до 100 т).
Степень автоматизации характеризуется участием человека
в технологическом процессе. По степени автоматизации станки
подразделяются на четыре категории:
1) станки, на которых все стадии технологического процесса
осуществляются с помощью человека;
2) полуавтоматические станки, на которых процесс обработки
(относительные движения заготовки и инструмента, сообщение
им необходимых усилий и скоростей) осуществляют специальные
механизмы без участия человека. Вручную выполняют в основном
вспомогательные функции: загрузку, зажим заготовок;
3) станки-автоматы. Здесь не только процесс обработки, но
и управление им (согласование различных движений, изменение
и включение скоростей) происходят без участия человека;
4) саморегулируемые станки-автоматы, которые самостоятельно
выполняют процесс обработки, управление этим процессом и его
контроль, т. е. оценивают соответствие технологического процесса
заданной программе и вносят необходимые корректировки в ход
процесса.
Металлорежущие станки, несмотря насвое многообразие, имеют
и общие конструктивные элементы. Все узлы и механизмы станка
размещаются на станине — основной базовой любого станка. От ее
прочности, жесткости и износоустойчивости зависит качество ра-
боты станка. Станина должна обеспечивать правильное взаимное
положение подвижных и неподвижных узлов и деталей на направ-
ляющих поверхностях, служащих для перемещения движущихся
200
частей. В большинстве случаев станины — это литые чугунные кон-
струкции (иногда стальные сварные или железобетонные). Они мо-
гут быть наклонными, горизонтальными и вертикальными.
Для закрепления и перемещения заготовки служат столы и план-
шайбы, а инструмента — суппорты и ползуны. Столы обычно име-
ют прямоугольную коробчатую форму с пазами на поверхности для
закрепления заготовки; планшайбы — круглую форму, обеспечи-
вающую вращение заготовки. Суппорт — узел станка, состоящий
из каретки {детали, перемещающейся по станине) и укрепленного
на ней держателя инструмента.
Одной из наиболее ответственных деталей любого станка явля-
ется шпиндель — главный вал, передающий вращение закреплен-
ной на нем заготовке (или инструменту). От жесткости, вибростой-
кости, износостойкости, точности установки шпинделя во многом
зависят производительность станка и точность обработки.
Некоторые детали металлорежущих станков собраны в узлы, на-
зываемые бабками. Каждый станок имеет шпиндельную бабку (для
горизонтальных конструкций; ее именуют передней), которая со-
стоит из корпуса и находящегося в нем шпинделя. Для поддержания
обрабатываемой заготовки значительной длины в горизонтальном
положении служит задняя бабка. В бабках располагается и рабочий
инструмент некоторых станков, например шлифовальных (шли-
фовальный круг находится в шлифовальной бабке), сверлильных
(сверло находится в сверлильной бабке).
Для регулирования частоты вращения или передвижения шпин-
деля, а следовательно, заготовки или инструмента в конструкции
станка предусмотрены многоступенчатые передаточные механиз-
мы, которые находятся в коробке скоростей. Специальные пере-
даточные механизмы применяются и для перемещения (подачи)
инструмента относительно заготовки или, наоборот, заготовки от-
носительно инструмента. Они находятся в коробке подач. Движе-
ние подачи может быть продольным, поперечным, вертикальным,
круговым или иметь сложную траекторию.
Кроме общих конструктивных элементов отдельные модели ме-
таллорежущих станков имеют свои специфические особенности.
Токарные станки — наиболее многочисленная группа метал-
лорежущих станков. На их долю приходится около 40 % общего
объема механической обработки. Они предназначены для об-
работки заготовок, имеющих форму тел вращения, причем за-
готовка получает вращательное движение, а инструмент — по-
ступательное. На токарных станках обтачивают наружные ци-
линдрические и конические поверхности, обрабатывают торцы
201
Рис. 5.2. Токарно-винторезный станок:
1 — передняя (шпиндельная] бабка с коробкой скоростей и шпинделем; 2 — рычаг
управления; 3 — шпиндельная (передняя] бабка; 4 — шпиндель; 5 — резцовая го-
ловка; 6 — верхние резцовые салазки; 7 — нижняя каретка; 8 — направляющие; 9 —
задняя бабка; 70 — станина; 7 7, 73 — тумбы; 12 — средние поперечные салазки
и уступы, прорезают канавки, растачивают отверстия, сверлят,
нарезают резьбы.
Самые распространенные станки — токарно-винторезные
(рис. 5.2). Это универсальные станки, на которых производят все
перечисленные ранее операции. Характерная конструктивная осо-
бенность этих станков — наличие ходового винта для нарезания
резьбы резцом. Станина 10 с направляющими 8 опирается на две
тумбы: 11 и 13. Слева находится шпиндельная (передняя) бабка 3
со шпинделем 4, валами и рычагами управления 2 коробки скоро-
стей; справа — задняя бабка 9Г поддерживающая правый конец
длинной заготовки. По направляющим станины между обеими
бабками перемещается суппорт. Суппорт включает резцовую го-
ловку 5, на которой крепится инструмент: нижнюю каретку 7, обе-
спечивающую продольное перемещение 5прод; средние поперечные
салазки 12 с поперечным перемещением 5ПОП и верхние резцовые
салазки 6 с угловым перемещением в горизонтальной плоскости
(SH). Такое сочетание различных перемещений позволяет резцу со-
вершать движения по любой образующей поверхности вращения.
202
5.8.
РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СТАНКОВ
Электродвигатели металлорежущих станков должны быть вы-
браны по номинальной мощности так, чтобы полностью обеспе-
чить заданную производительность станка при высокой надежно-
сти и экономичности его работы. Необходимая для работы станка
мощность, а следовательно, и мощность, развиваемая приводным
двигателем, в общем случае изменяются в процессе отработки де-
тали.
В длительном режиме с постоянной нагрузкой работают глав-
ные приводы крупных токарных, карусельных, зубофрезерных,
шлифовальных и других станков. Номинальная мощность двигате-
ля должна быть выбрана равной или немного большей номиналь-
ной мощности станка.
В повторно-кратковременном режиме работают электроприво-
ды многих металлорежущих станков (сверлильные, заточные, ав-
томаты). В кратковременном режиме работают вспомогательные
приводы станков (например, приводы зажимных устройств). Вре-
мя работы вспомогательных приводов обычно незначительно и со-
ставляет 5... 15 с для небольших станков и 1,0... 1,5 мин для крупных
станков. Номинальная мощность двигателя вспомогательных при-
водов определяется условиями перегрузки.
Работа станка с неполной нагрузкой сопровождается уменьше-
нием КПД и станка, и его приводного двигателя. У асинхронных
двигателей недогрузка вызываеттакже снижение coscp. Коэффици-
ент мощности асинхронных двигателей при номинальной нагрузке
cos(pH = 0,65...0,89; при работе со значительной недогрузкой costp =
= 0,3...0,4. Недогрузка двигателей приведет к увеличению непро-
изводительного расхода электроэнергии. В результате ухудшится
использование мощности питающих предприятие трансформато-
ров и линий, увеличатся потери электроэнергии в системе электро-
снабжения.
Основные требования к электроприводу движений:
надежность и простота обслуживания (наладки);
соответствие характеру изменяющейся нагрузки;
широкий и плавный диапазон регулирования скорости рабочего
процесса;
жесткость механических характеристик, т. е. при изменении на-
грузки на валу ЭД от холостого хода до номинальной изменение
скорости вращения не должно превышать 5... 10%.
203
Механическое регулирование обычно ступенчатое, а электриче-
ское — ступенчатое и бесступенчатое. Диапазон регулирования —
от 3:1 до 120:1 (для главного движения) и 1 000: 1 (для подачи).
ПРИМЕРЫ ТИПОВ СТАНКОВ
5.Э.
Токарные станки предназначены для обработки поверхностей
вращающихся заготовок (изделий) резцами и другими применимы-
ми инструментами. Основными узлами станка являются:
станина — для размещения и крепления оборудования;
передняя и задняя бабки;
суппорт;
шкаф с электрооборудованием.
Станина является несущей конструкцией станка. По ее направ-
ляющим перемещается нижняя каретка суппорта и задняя бабка.
Передняя (шпиндельная) бабка совмещена с коробкой скоро-
стей.
Шпиндель имеет полый вал, через который можно пропускать
прутковый материал при его обработке. На шпиндель навертыва-
ется патрон или планшайба для закрепления обрабатываемого из-
делия, а при обработке изделия в центрах — передний центр.
Задняя бабка используется в качестве второй опоры при обра-
ботке в центрах длинных деталей. Она имеет выдвижную пиноль
для закрепления заднего центра или инструмента для обработки от-
верстий (сверла, метчики и др.).
Суппорт используется для закрепления резца и обеспечения
продольной и поперечной подач. Фартук суппорта соединен с ниж-
ней кареткой и перемещается вдоль станины. На фартуке размещен
механизм, передающий движение от ходового винта или ходового
вала коробки подач. Ходовой винт используется при нарезании
резьбы, а ходовой вал — при других операциях.
В серийном производстве для обработки деталей сложной фор-
мы применяются токарно-револьверные станки. Процесс об-
работки включает в себя несколько последовательных операций
с различными инструментами. Инструмент закрепляется в револь-
верной головке, установленной на суппорте. Суппорт с головкой
может быстро перемещаться по направляющим станины в про-
дольном направлении. Револьверная головка обычно шестигран-
ная. Режущий инструмент (резцы, сверла, метчики и др.) крепится
в радиальных отверстиях (гнездах) головки, что обеспечивает их
быструю смену. Применение таких станков повышает произво-
204
дительность, по сравнению с токарно-винторезными стенками,
до трех раз.
Для обработки наружных и внутренних цилиндрических по-
верхностей крупных изделий большого диаметра (до 13 м и более)
применяются карусельные станки. Изделие закрепляется на план-
шайбе. Станки имеют два верхних суппорта, расположенных на по-
перечной траверсе, и один боковой суппорт. Суппорты перемеща-
ются вертикально по двум стойкам. Управление осуществляется
от кнопочного подвесного поста.
Копирование на токарных станках. Принцип копирования при-
меняется для обработки тел вращения сложной формы (конусной,
ступенчатой или криволинейной). Требуемый профиль воспроиз-
водится по шаблону.
Копирование поверхности производится автоматически копи-
ровальным пальцем, который имеет форму резца. Характер пере-
мещения передается в систему управления, которая вырабатывает
сигнал на перемещение суппорта с резцом. Траектория движения
резца повторяет траекторию движения копировального пальца.
В конце обработки заготовки получается готовая копия шаблона.
По сравнению с универсальными станками копировальные облада-
ют большей производительностью, а полученные изделия — боль-
шей схожестью.
По принципу действия выделяют три основных вида токарных
копировальных станков:
1} с непосредственным механическим управлением;
2) гидравлическим следящим управлением;
3) электрическим следящим управлением.
Широкое применение получили копировальные станки с элек-
трическим следящим управлением (рис. 5.3). Копировальный па-
лец 1 перемещается по профилю шаблона 8. Он может двигаться
к шаблону или от шаблона. Перемещение воспринимается копи-
ровально-измерительным прибором 2, вследствие чего замыкается
механический контакт (КИП1) при перемещении к шаблону или
контакт (КИП2) при перемещении от шаблона. Контакт в цепи реле
аварийного (РА) (КИПЗ) постоянно замкнут и размыкается только
при чрезмерном нажатии на копировальный палец.
Коп ировально-из мерительный прибор (КИП) имеет жесткую
связь с суппортом 6, который вместе с резцом 3 управляется ве-
дущей передачей 4 и следящей передачей 5, Ведущая передача
обеспечивает ведущую подачу в двух направлениях с помощью
электромагнитов ЭмП или ЭмЛ, выбор которых производится
переключателем П (Л — левое; П — правое). Следящая передача
205
Рис. 5.3. Электрокопировальная система токарного станка:
7 — копировальный палец; 2 — копировально-измерительный прибор; 3 — резец;
4 — ведущая передача; 5 — следящая передача; Б — суппорт; 7 — заготовка; 8 —
шаблон
+
обеспечивает следящую подачу в двух направлениях с помощью
электромагнитов ЭмВ или ЭмН, включение которых производится
при срабатывании реле. В зависимости от подач (SB и Sc) резец 3
обрабатывает вращающуюся заготовку 7 в соответствии с формой
шаблона.
Электропривод. Для получения выгодной скорости резания сле-
дует иметь возможность плавного ее изменения в диапазоне от 80:1
до 100:1. Малые скорости применяются для нарезания резьбы мет-
чиками, обточки сварных швов и др.
Для главного привода рекомендуется применять асинхронные
двигатели с короткозамкнутым ротором:
для токарных и карусельных станков малых и средних размеров
широкого применения;
для токарных станков малых размеров в сочетании с фрикцион-
ными муфтами.
Многоскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым
ротором применять целесообразно, когда требуется переключение
скорости шпинделя на ходу и упрощается коробка скоростей.
Для тяжелых токарных и карусельных станков со ступенчато-
плавным регулированием скорости применяются двигатели посто-
янного тока.
206
Сверлильные и расточные станки. Сверлильные и расточные
станки относятся к одной группе. К сверлильным станкам общего
назначения относятся вертикально-сверлильные и радиально-свер-
лильные. Конструкция радиально-сверлильного станка представле-
на на рис. 5.4. Станок предназначен для сверления отверстий в тор-
цах станин электрических машин, подшипниковых щитах и т. п. Он
применяется в электромашиностроении.
Сверлильные станки обычно имеют вертикальное исполнение
и содержат следующее основное оборудование: фундаментная пли-
та 1, на которой установлена неподвижная колонна 2; пустотелая
гильза 4, надетая на колонну 2 и поворачивающаяся на 360° вокруг
колонны; надетая на гильзу траверса 11, которая может поднимать-
ся и опускаться вдоль колонны с помощью винта 8; шпиндельная
бабка 10, которая может перемещаться в горизонтальном направ-
лении по траверсе 11; шпиндель /2 для закрепления сверла 13, при-
водимый во вращение главным двигателем 9; кольцо зажимное 3
для закрепления гильзы 4 с траверсой //на колонне 2 (разрезное
кольцо стягивается с помощью дифференциального винта, вращае-
мого вручную или от отдельного ЭД); стол 14, на котором устанавли-
вается обрабатываемое изделие (стол может перемещаться по на-
правляющим назад и вперед к колонне); электропривод, состоя-
щий из двигателя 9, обеспечивающего главное движение и подачу
шпинделя; двигатель 6 поворота гильзы 4 с траверсой 11 вокруг ко-
лонны 2; двигатель 7 перемеще-
ния траверсы по вертикали; ме-
ханизм перемещения 5, который
обеспечивает снижение частоты
вращения ЭП до требуемой.
Расточные станки предна-
значены для обработки крупных
деталей и имеют обычно гори-
зонтальное исполнение. Кроме
Рис. 5.4. Радиально-сверлильный
станок:
7 — плита; 2 — колонна; 3 — кольцо
зажимное; 4 — гильза; 5 — механизм
перемещения; 6 — двигатель колон-
ны; 7 — двигатель траверсы; 8 — винт;
9 — главный двигатель; 10 — шпин-
дельная бабка (сверлильная головка];
11— траверса [горизонтальный рукав];
12 — шпиндель; 13 — сверло; 14 — стол
207
операций сверления на них можно выполнять фрезерование, на-
резание резьбы и др. Применение бортштанги с резцами позволяет
растачивать цилиндрические и конические поверхности.
Особенностью расточных станков является возможность с одной
установки детали обрабатывать в ней различные отверстия со вза-
имно-параллельными и перпендикулярными осями.
В электромашиностроении широко применяются горизонталь-
но-расточные станки для обработки внутренней цилиндрической
поверхности корпусов электрических машин. Основными узлами
такого станка являются:
передняя стойка (неподвижная), по которой в вертикальном на-
правлении перемещается шпиндельная бабка с коробками ско-
ростей и подач;
задняя стойка (подвижная), которая перемещается по направ-
ляющим станины вдоль нее; на ней установлен люнет для под-
держания бортштанги, обеспечивающий необходимую жест-
кость в процессе резания;
поворотный стол, расположенный между передней и задней
стойками, перемещающийся по направляющим станины;
электропривод, обеспечивающий главное движение и подачу;
при расточке коротких отверстий подача сообщается шпинде-
лю; при обработке длинных и соосных отверстий с использова-
нием бортштанги подача в продольном направлении сообщается
столу; шпиндель может перемещаться в осевом направлении или
вертикально вместе со шпиндельной бабкой по направляющим
стойки,
Координаторно-расточные станки применяются для обработки
отверстий с высокой точностью без предварительной разметки по-
верхности детали (в диапазоне от 0,005 до 0,010 мм). Выполняемые
операции: сверление, разметка, растачивание и фрезерование тор-
цевыми фрезами.
Строгальные станки. Они предназначены для обработки гори-
зонтальных и вертикальных плоских поверхностей у крупных де-
талей большой длины. Детали средних размеров устанавливаются
на столе рядами и обрабатываются одновременно. Кроме основной
операции (строгание) на этих станках можно прорезать прямоли-
нейные канавки различного профиля, пазы и т.п. По конструкции
продольно-строгальные станки подразделяются на одностоечные
(с консольной траверсой) и двухстоечные (портальные),
На рис. 5.5 представлено расположение основных узлов двух-
стоечного продольно-строгального станка. Станина 1 станка имеет
направляющие (плоские пазы, V-образные), по которым совершает
208
Рис. 5.5. Расположение основных узлов двухстоечного продольно-
строгального станка:
1 — станина; 2 — стол; 3 — траверса; 4 — вертикальные суппорты; 5 — портал- 6
9 — электродвигатель суппорта; 7, 10 — коробки подач; 8 — боковой суппорт; 7 7 ’
электродвигатель стола; 12 — редуктор; 13 — резец
возвратно-поступательное движение стола 2 с обрабатываемой за-
крепленной деталью. Главное движение (перемещение стола) обе-
спечивается от электродвигателя стола 11 через редуктор 12 и рееч-
ную передачу.
Реечная передача состоит из рейки (прямозубой, косозубой или
червячной), прикрепленной снизу к столу по всей его длине, и ре-
ечного колеса (или расположенного под углом червяка). Снятие
стружки с обрабатываемой детали (строгание) производится при
ходе стола «вперед» (прямой или рабочий ход) со скоростью ре-
зания. Ход стола «назад» (обратный ход) совершается без снятия
стружки (холостой ход) при поднятом резце 13 и с повышенной ско-
ростью. Резцы отводятся и подводятся к обрабатываемой поверх-
ности автоматически.
Портал 5 станка образован двумя вертикальными стойками
и верхней балкой. По вертикальным направляющим стоек портала
перемещаются траверса 3 и боковой суппорт 8. Некоторые станки
имеют два боковых суппорта.
Траверса поперечина имеет горизонтальные направляющие,
по которым перемещаются вертикальные суппорты 4. Движение
вертикальным суппортам 4 обеспечивается от отдельного ЭД 6 Че-
209
рез коробку подач 7. Движение боковому суппорту 8 обеспечивает-
ся от отделытого ЭД 9 через коробку подач 10. Суппорты станка с за-
крепленными в них резцами осуществляют прерывистую периоди-
ческую подачу за время реверса стола с обратного хода на прямой.
Технологические возможности продольно-строгальных стан-
ков определяются: ходом стола L — наибольшей длиной строгания
(от 1,5 до 12 м), наибольшей шириной В обработки (от 0,7 до 4 м),
наибольшим тяговым усилием FT на рейке стола (до 70 кН и более).
Фрезерные станки. Они предназначены для обработки наруж-
ных и внутренних плоских и фасонных поверхностей, прорезки
канавок, нарезки наружной и внутренней резьбы, зубчатых колес
и т. п. Особенностью этих станков является рабочий инструмент —
фреза, имеющая множество режущих лезвий.
Главное движение — вращение фрезы, а подача — перемещение
изделия вместе со столом, на котором оно закреплено. В процессе
обработки каждое лезвие фрезы снимает стружку в течение доли
оборота фрезы, а сечение стружки изменяется непрерывно от наи-
меньшего до наибольшего.
Выделяют две группы фрезерных станков: общего назначения
(например, горизонтально-, вертикально- и продольно-фрезерные)
и специализированные (например, копировально-фрезерные, зу-
бофрезерные) .
Вертикально-фрезерные станки (рис. 5.6) применяются в основ-
ном для обработки плоскостей торцевыми фрезами или для фре-
зерования пазов, шпоночных канавок и т. п. Все оборудование кре-
пится на станине 6, в верхней части которой установлена поворот-
ная фрезерная головка 1,
На консоли 4 размещаются са-
лазки 3 и рабочий стол 2, на котором
крепится изделие. Консоль может
перемещаться вверх и вниз по на-
правляющим станины 6, а салазки 3
способны перемещаться по гори-
зонтальным направляющим консо-
Рис. 5.6. Вертикально-фрезерный ста-
нок:
1 — головка фрезерная; S — стол рабочий;
3 — салазки; 4 — консоль; 5 — коробка подач;
6 — станина; 7 — электродвигатель подач;
8 — электродвигатель фрезы
210
ли 4. В свою очередь рабочий стол 2 перемещается по направля-
ющим салазок 3.
Таким образом, станок имеет три взаимно перпендикулярных
движения, которые осуществляются электродвигателем подач 7,
встроенным в коробку подач 5.
Агрегатные станки. Это специальные многоинструментальные
станки, собираемые из стандартных узлов и агрегатов специально-
го назначения. К стандартным узлам относятся силовые (шпиндель-
ные) головки, поворотные столы, станины, гидравлические устрой-
ства {гидроприводы, гидронасосы, гидропанели) и др. Их применя-
ют в крупносерийном и массовом производстве. Они выполняют
следующие технологические операции: сверление, растачивание,
резьбофрезерование и т. п. Изделия на таких станках обрабатыва-
ются одновременно несколькими инструментами как с одной, так
и с нескольких сторон. Поэтому агрегатные станки отличаются вы-
сокой производительностью по сравнению с универсальными.
Применение агрегатных станков на производстве позволяет при
том же объеме продукции сократить число рабочих и производ-
ственные площади станочного парка.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите группы металлорежущих станков. Каково их на-
значение?
2. В чем отличие основных и вспомогательных движений металло-
режущих станков?
3. Перечислите типы привода основного движения станков.
4. Дайте характеристику системам автоматизации станков.
5. Каковы основные принципы классификации и обозначения
станков?
6. Дайте характеристику режимов работы электроприводов стан-
ков.
7. Назовите основные типы станков. Каково их назначение?
Глава 6
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫХ МАШИН
И УСТАНОВОК
6.1.
КЛАССИФИКАЦИЯ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫХ
УСТАНОВОК
К числу машин и механизмов общепромышленного применения
относится обширная группа промышленных установок, отличаю-
щихся многообразием. Классификация типовых общепромышлен-
ных механизмов представлена на рис. 6.1.
К наиболее важным классификационным признакам относят-
ся назначение установки, ее конструктивное исполнение, область
применения и характер технологического процесса.
По назначению общепромышленные установки подразделяют-
ся на следующие группы:
Рис. 6.1. Классификация типовых общепромышленных механизмов
212
1) подъемно-транспортные машины;
2) землеройные машины;
3) машины для транспортирования жидкостей и газов, а также
для сжатия газов.
Каждая из этих групп содержит машины, различные по кон-
структивному исполнению. К числу подъемно-транс портных
машин относятся мостовые, козловые и поворотные краны, пере-
грузочные мосты, кабель-краны, промышленные манипуляторы
и роботы, стационарные вертикальные и наклонные подъемные
установки дискретного действия, канатные дороги, горизонталь-
ные и наклонные конвейеры, вертикальные ковшовые транспорте-
ры и т.п.
Землеройные машины представлены одноковшовыми и ротор-
ными экскаваторами, а также земснарядами.
Машины для транспортирования жидкостей и газов включают
в себя центробежные и поршневые насосы и компрессоры и цен-
тробежные вентиляторы. Подразделение на более мелкие группы
можно было бы продолжить, учитывая характер транспортируе-
мых грузов, вид рабочих органов и другие конструктивные особен-
ности машин.
По области применения различают машиностроительные, ме-
таллургические, горные, строительные, судовые и другие машины
и установки, основные механизмы которых могут быть отнесены
к числу общепромышленных, Например, выпускаются специаль-
ные металлургические краны и загрузочные машины, судовые
подъемно-транспортные машины, шахтные подъемные установки,
поточно-транспортные системы различного отраслевого примене-
ния и т.п.
При этом в большинстве случаев область применения оказывает
более или менее значительное влияние на конструктивное испол-
нение машин. Башенный кран является специальной строительной
машиной, а шахтная подъемная установка имеет специфические
конструктивные отличия от пассажирского лифта. В то же время
можно привести и примеры, когда однотипные машины, применя-
емые в различных отраслях, существенных конструктивных отли-
чий не имеют. Специфика отраслевого применения в этих случаях
может проявляться в режимах работы и условиях эксплуатации их
электроприводов.
По характеру технологического процесса общепромышлен-
ные механизмы подразделяются на две группы:
1) механизмы циклического (прерывного) действия, рабочий
процесс которых состоит из повторяющихся однотипных циклов;
213
2) механизмы непрерывного действия, технологический про-
цесс которых имеет непрерывный характер.
Типичными примерами первой группы могут служить краны,
шахтные подъемные машины, лифты, а второй — эскалаторы, зем-
лесосы, конвейеры. Характер технологического процесса оказы-
вает основное влияние на режимы работы электропривода и опре-
деляет главные требования, предъявляемые к нему в отношении
мощности и перегрузочной способности, динамических качеств,
необходимости и точности регулирования координат электромеха-
нической системы, уровня автоматизации и т. п.
Эти требования, конечно, зависят и от назначения установки,
и от отрасли ее применения, но определяются в основном конкрет-
ным характером технологического процесса. Так, механизмы одного
назначения, например конвейеры, предъявляют к своему электропри-
воду различные требования, если один из них работает непрерывно,
а технологический процесс другого имеет циклический характер.
В основе отбора рассматриваемых установок обычно лежит
классификация по назначению и исполнению (например, электро-
оборудование кранов, подъемно-транспортных машин, экскавато-
ров, лифтов, конвейеров, насосов, компрессоров и вентиляторов).
Кроме того, подбор рассматриваемых установок может быть осно-
ван на отраслевом принципе — увязан с конкретной областью при-
менения отдельных общепромышленных механизмов.
При изучении основное внимание должно быть сосредоточено
на общих закономерностях, свойственных однотипным электро-
приводам, различных по конструкции и назначению промышлен-
ных установок. Необходимо решать вопросы электропривода и ав-
томатизации промышленных установок в любых отраслях эконо-
мики и знать общий порядок определения требований к электро-
приводу на основе анализа технологического процесса.
Из всех рассмотренных классификационных признаков этим
задачам наиболее полно соответствует классификация общепро-
мышленных механизмов по характеру технологического процесса.
Изучение электропривода и автоматизации общепромышленных
механизмов удается систематизировать и обобщить, объединив
различные по назначению, конструкции и отрасли применения ма-
шины и установки в группы, однотипные по режимам работы, на-
грузкам электропривода и уровню автоматизации технологическо-
го процесса. Прежде всего необходимо подразделить все установки
на установки с циклическим и непрерывным рабочим процессом
и выделить их характерные механизмы, которые могут быть назва-
ны типовыми общепромышленными механизмами.
214
6.2.
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
ЦИКЛИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
Обширная группа общепромышленных установок циклического
действия включает в себя подъемные краны, одноковшовые экска-
ваторы, стационарные подъемники различных конструкций и на-
значения, маятниковые канатные дороги, конвейеры циклического
действия, различные манипуляторы и промышленные роботы. Об-
щим для этих установок является режим работы, при котором тех-
нологический процесс состоит из ряда повторяющихся однотип-
ных циклов, каждый из которых представляет собой законченную
операцию загрузки рабочего органа, перемещения его из исходной
точки в пункт назначения и разгрузки. В зависимости от специали-
зации цикл может содержать выполнение предусмотренных техно-
логией процессов (например, черпание грунта, кантование переме-
щаемых изделий и т. п.).
Основные механизмы таких установок, как правило, имеют ре-
версивный электропривод, рассчитанный для работы в интенсив-
ном повторно-кратковременном режиме. В каждом рабочем цикле
имеют место неустановившиеся режимы работы электропривода:
пуски, реверсы, торможения, оказывающие существенное влияние
на производительность механизма, динамические нагрузки приво-
да и механизма, КПД установки и другие факторы. Все эти условия
предъявляют к электроприводу сложные требования, в значитель-
ной степени общие для всей рассматриваемой группы механизмов.
Несмотря на большое многообразие конкретных установок ци-
клического действия, их рабочие движения обслуживаются огра-
ниченным числом однотипных механизмов.
Подъемные краны объединяют большую группу подъемно-
транспортных установок циклического действия, общее представ-
ление о которых могут дать характерные примеры конструктивных
схем, приведенные на рис. 6.2, 6.3.
На промышленных предприятиях наиболее распространенным
и универсальным подъемно-транспортным устройством является
мостовой кран (см. рис. 6.2). Стальная конструкция моста крана
1 опирается на ходовые тележки и с помощью механизма пере-
движения 3 может перемещаться по подкрановым путям 2, укре-
пленным над обслуживаемой площадью на стационарных опорах.
Вдоль моста крана проложены рельсы, по которым перемещается
тележка 4 с установленными на ней механизмом передвижения
и подъемной лебедкой, осуществляющей подъем и спуск грузов.
215
Рис. 6.2. Конструктивная схема мо-
стового подъемного крана:
1 — стальная конструкция; 2 — подкра-
новые пути: 3 — механизм передвиже-
ния; 4 — тележка; 5 — грузозахватное
устройство
Таким образом, основными ме-
ханизмами мостового крана яв-
ляются механизм передвижения
моста, механизм передвижения
тележки и подъемная лебедка,
которые снабжаются индивиду-
альным электроприводом.
В зависимости от вида гру-
зозахватного устройства 5 раз-
личают крюковые, магнитные,
грейферные, клещевые и тому
подобные краны. На тележке
грейферного крана обычно
устанавливаются две лебедки,
одна из которых служит для за-
крывания грейфера. Подъем за-
крытого грейфера осуществляется обеими лебедками.
На мосту крана на одном рельсовом пути могут устанавливаться
две или три тележки. Так, магнитно-грейферный кран имеет магнит-
ную тележку с лебедкой подъема магнита и грейферную тележку
с лебедками подъема и закрывания грейфера. Такой кран имеет три
механизма передвижения и три подъемные лебедки. Таким образом,
указанные модификации кранов имеют однотипные механизмы.
Козловые краны, предназначенные для работы под открытым
небом, аналогичны мостовым. Вариант конструктивной схемы
Рис. 6.3. Конструктивная схема козлового крана:
1 — несущая ферма крана; 2 — подвижные опоры; 3 — ходовая тележка; 4 — меха-
низм передвижения тележки; 5 — грузозахватное устройство
216
такого крана приведен на рис. 6.3. Здесь несущая ферма крана 1
опирается на подвижные опоры 2, перемещающиеся с помощью
нескольких пар ходовых тележек 3, часть из которых является дви-
жущей. Соответственно козловой кран имеет те же основные ме-
ханизмы, что и мостовой: механизм передвижения моста (иногда
с индивидуальным приводом каждой ведущей тележки), механизм
передвижения тележки 4 и размещенные на ней лебедки подъема
и закрывания грейфера.
Такую же конструктивную схему и те же основные механизмы
имеют перегрузочные мосты (например, рудные, угольные пере-
гружатели) , предназначенные для обслуживания обширных откры-
тых складских территорий. Это — крупные подъемно-транспорт-
ные сооружения, пролет которых в ряде случаев превышает 100 м.
Несколькими сотнями метров измеряется пролет так называемых
кабель-кранов, в которых вместо жесткой фермы 1 используется
несущий стальной канат.
Опрошпельньш башенный кран (рис. 6.4) имеет башню 1, пор-
тал которой опирается на ходовые тележки 2. В верхней части башни
имеется поворотный круг 6, на котором вращается поворотная голов-
Рис. 6.4. Поворотный кран:
7 — башня; 2 — ходовые тележки; 3 — стрела: 4 — головка башни; 5 — противовес;
6 — поворотный круг; 7 — тележка; 8 — крюк
217
ка башни 4 со стрелой 3 и консолью противовеса 5. Изменение вылета
крюка 8 достигается перемещением тележки 7 вдоль стрелы (в других
конструкциях для этой цели используются подъем-опускание стрелы).
Все рабочие движения крана обслуживаются следующими ме-
ханизмами: подъемная лебедка, механизм передвижения крана,
механизм передвижения тележки и механизм поворота. На башен-
ных кранах конструктивно поворот стрелы осуществляется с помо-
щью обычной тяговой лебедки с бесконечным канатом, так же как
и передвижение крюковой тележки вдоль стрелы.
Портальный кран (рис. 6.5) является наиболее характерным
представителем группы поворотных кранов. Основанием крана
является портал 1, который с помощью механизма передвижения
с индивидуальным электроприводом ходовых тележек 4 может
перемещаться по подкрановым путям. Поворотная платформа 2
опирается на портал через роликовый круг или поворотные балан-
сирные тележки, катающиеся по кольцевому рельсу при вращении
платформы механизмом поворота.
Угол наклона стрелы крана 3 может изменяться с помощью ле-
бедки изменения вылета. Необходимая уравновешенность крана
Рис. Б.5. Конструктивная схема поворотного (портального) крана:
1 — портал; 2 — поворотная платформа; 3 — стрела; 4 — ходовые тележки; 5 — под-
вижной противовес; 6 — рычаг; 7 — крюк
218
при разных вылетах стрелы обеспечивается подвижным противове-
сом 5, связанным со стрелой рычагом б. Подъем и опускание крюка
7 осуществляется подъемной лебедкой, установленной в машинном
зале, на поворотной платформе 2. На грейферных портальных кра-
нах, оборудованных двухканатными грейферами, устанавливают-
ся две однотипные подъемные лебедки для подъема и закрывания
грейфера.
Одноковшовые экскаваторы в отношении рабочих движений
и конструкции имеют много общего с поворотными (например,
с портальными) кранами. Небольшие экскаваторы могут при не-
обходимости работать в качестве подъемных кранов, так как вы-
полняются универсальными со сменным рабочим оборудованием.
Более крупные экскаваторы являются специализированными зем-
леройными машинами, предназначенными только для черпания
грунта или предварительно разрушенной взрывом скальной поро-
ды и перемещения наполненного ковша к месту выгрузки.
Экскаваторы широко применяются на строительстве городов,
каналов и гидроэлектростанций, при сооружении шоссейных и же-
лезных дорог и на открытых разработках полезных ископаемых.
Различные условия работы и объемы земляных работ требуют при-
менения машин различной конструкции и производительности.
По конструкции рабочего органа различают следующие типы
экскаваторов: прямая лопата, обратная лопата, драглайн, лопата-
струг, скребок и т.п, По конструкции механизма передвижения
можно выделить гусеничные и шагающие экскаваторы, а также
экскаваторы на железнодорожном, рельсовом ходу.
Экскаваторы с емкостью ковша более 3 м3 обычно имеют обо-
рудование прямой лопаты или драглайна. Драглайны применяются
для работ, требующих перемещения породы на большие расстоя-
ния при сравнительно мягких грунтах; на более твердых грунтах,
но с меньшим радиусом действия работают лопаты.
Экскаватор -лопата (рис. 6.6) имеет ковш 1, жестко связанный
с рукоятью 2, шарнирно укрепленной на стреле 3 и имеющей воз-
можность поступательного перемещения. Наполнение ковша про-
изводится с помощью двух рабочих движений: подъема ковша и по-
ступательного движения рукояти, создающего напор для внедрения
зубьев ковша в грунт. Третьим рабочим движением является пово-
рот платформы 4 экскаватора; оно необходимо для перемещения
ковша к месту выгрузки и в забой и имеется на всех машинах неза-
висимо от типа рабочего оборудования.
Для открывания днища ковша при разгрузке служит вспомога-
тельный двигатель, укрепленный на стреле. Вал двигателя тросом
219
Рис. 6.6. Экскаватор-лопата:
1 — ковш; 2 — рукоять; 3 — стрела; 4 — поворотная платформа
связан с засовом, удерживающим днище ковша в закрытом поло-
жении. Основными механизмами экскаватора-лопаты являются:
механизм подъема (подъемная лебедка), механизм напора и меха-
низм поворота. Необходимые перемещения экскаватора произво-
дятся с помощью гусеничного механизма передвижения (хода).
Жесткое оборудование экскаватора-лопаты создает благопри-
ятные условия для погрузки грунта в транспорт: железнодорожные
думпкары или мощные автомобили-самосвалы. Различают карьер-
ные и вскрышные экскаваторы-лопаты. Карьерные экскаваторы
предназначены для разработки скальных грунтов, в связи с чем
имеют укороченное оборудование (стрелу и рукоять) повышенной
прочности. Более крупной карьерной машиной является экскава-
тор типа ЭКГ-8, имеющий ковш емкостью 8 м3.
Вскрышные экскаваторы предназначены для работы в более
легких грунтах и имеют удлиненное оборудование облегченной
конструкции. Наиболее крупной из выпущенных в нашей стране
машин такого типа является экскаватор ЭВГ-35/65М (экскаватор
вскрышной гусеничный с емкостью ковша 35 м3 и длиной стрелы
65 м).
Экскаватор-драглайн типа ЭШ-100/100 (рис. 6.7) имеет ковш 1,
свободно подвешенный на канатах. Наполнение ковша (черпание)
производится путем подтягивания его к машине с помощью тягово-
го каната 2, При этом ковш внедряется в грунт под действием соб-
ственного веса и удерживается от чрезмерного заглубления с по-
мощью подъемных канатов 3. С помощью подъемных канатов про-
220
Рис. 6.7. Экскаватор-драглайн типа ЭШ-100/100:
7 — ковш; 2 — тяговый канат; 3 — подъемные канаты; 4 — база; 5 — опорные лыжи
изводится подъем ковша к голове стрелы, в процессе которого тя-
говые канаты удерживают загруженный ковш от опрокидывания.
Третьим рабочим движением в цикле экскавации является поворот
на выгрузку и в забой. В конце поворота на выгрузку тяговые кана-
ты ослабляются, что вызывает опрокидывание и разгрузку ковша.
Таким образом, основными механизмами экскаватора-драглайна
являются одинаковые по конструкции подъемная и тяговая лебед-
ки и механизм поворота. Драглайны используются для вскрышных
работ при относительно слабых грунтах. По условиям выполнения
таких работ экскаватор часто, разрабатывая отвалы, должен стоять
на насыпном грунте и перемещаться по этому мягкому основанию.
Для уменьшения давления на грунт при работе драглайн опирает-
ся на круглую плиту большого диаметра — так называемую базу 4,
а для передвижения используется механизм шагания с опорными
лыжами 5 большой площади. Наиболее массовой машиной такого
типа является ЭШ-5/45М (экскаватор, шагающий с емкостью ков-
ша 5 м3 и длиной стрелы 45 м). Выпускаются также более мощные
экскаваторы типов ЭШ-10/70А, ЭШ-15/90А и др.
Крупные одноковшовые экскаваторы являются высокопроиз-
водительными землеройными машинами, представляющими со-
бой уникальные по габаритным размерам, массе и мощности глав-
ных электроприводов технические сооружения. Приведенный
на рис. 6.7 с указанием основных размеров недавно введенный
в действие самый мощный в нашей стране шагающий экскаватор-
драглайн типа ЭШ-100/100 имеет ковш емкостью 100 м3 и длину
221
стрелы 100 м. Он оборудован совершенными электроприводами
основных механизмов большой мощности, которая для подъемной
и тяговой лебедок составляет по 10000 кВт, а электропривод пово-
рота имеет восемь двигателей по 1 000 кВт каждый.
Значительный эффект повышения производительности труда
на открытых горных разработках за счет применения машин такой
мощности объясняется тем, что экскаватор является послушным
и мощным «продолжением рук» одного землекопа-оператора, кото-
рый, воздействуя на рукоятки командоаппаратов главных электро-
приводов, за смену без тяжелого физического труда производит та-
кой же объем земляных работ, что и армия землекопов в несколько
десятков тысяч человек.
Манипуляторами принято называть технические устройства,
предназначенные для воспроизведения некоторых двигательных
функций рук человека. Так как в зависимости от назначения чис-
ло воспроизводимых функций, рабочих движений и соответствен-
но число степеней свободы конкретных манипуляторов может
быть различным, под это определение попадает широкий класс
устройств, которые по способу управления подразделяются на две
группы: копирующие манипуляторы (телеоператоры) и координат-
ные (командные) манипуляторы.
Копирующий манипулятор управляется задающим устройством,
представляющим собой механизм, подобный механизму «руки» ма-
нипулятора. Движения руки оператора, воздействующей на задаю-
щее устройство, с помощью следящих приводов воспроизводятся
исполнительным органом манипулятора. Чем сложнее операции,
выполняемые с помощью манипулятора, тем больше требуется сте-
пень его подобия руке человека; при этом возникает необходимость
двустороннего действия системы дистанционной передачи усилий
в целях отражения в задающем устройстве усилий, создаваемых
манипулятором.
Такие манипуляторы необходимы главным образом для произ-
водства работ в условиях, опасных для жизнедеятельности челове-
ка, например в зонах высоких температур, радиации, химически
активных сред.
Координатный манипулятор управляется оператором путем
воздействия на командоаппараты, обеспечивающие включение
и отключение приводов перемещений по соответствующим коор-
динатам и задание их скоростей либо дозированных перемещений.
Отсутствие копирующего задающего механизма упрощает кон-
струкцию манипулятора и облегчает задачу автоматического про-
граммного и адаптивного управления его работой, позволяя воз-
222
Рис, 6.8. Схема манипулятора
с четырьмя степенями сво-
боды:
1 — поворотный стол; 2 — рука;
3 — кисть; 4 — схват
дожить формирование задающих сигналов по каждой координате
на ЭВМ. В случае полной автоматизации рабочего цикла коорди-
натный манипулятор может быть назван промышленным роботом.
Промышленные роботы представляют собой автоматические
манипуляторы с программным управлением, основное назначение
которых и режимы работы полностью соответствуют указанным ра-
нее общепромышленным установкам циклического действия. Спец-
ифичность конструкций, кинематики и динамики манипуляторов,
уровень требований к управляемости и точности работы роботов,
возможность наделения их способностью самообучения, а в пер-
спективе — способностью самостоятельного ориентирования в окру-
жающей среде и даже «искусственным интеллектом» и другие фак-
торы выделяют роботы из ряда традиционных средств комплексной
механизации и автоматизации производственных процессов и уже
привели к созданию новой самостоятельной и быстро развивающей-
ся отрасли техники, получившей название «робототехника».
Конструктивные схемы манипуля-
торов промышленных роботов очень
разнообразны, зависят от выбора
системы координат, в которой долж-
но осуществляться перемещение
схвата, и существенно усложняют-
ся с расширением универсальности
назначения робота. В качестве при-
мера, когда выполняемые роботом
операции обеспечиваются четырьмя
степенями свободы, на рис. 6.8 при-
ведена схема манипулятора, работа-
ющего в подвижной системе прямо-
угольных координат, связанной с по-
воротным столом 1. Рука 2 имеет три
степени свободы, соответствующие
обозначенным на рисунке направ-
лениям возможных перемещений,
четвертая степень свободы обеспе-
чивается поворотом стола 1. Кисть 3
жестко связана с рукой и имеет до-
полнительное движение зажима
и освобождения перемещаемой де-
тали схватом 4. Соответственно ра-
бота манипулятора обеспечивается
механизмами и приводами подъема
223
руки, горизонтального перемещения кисти и поворота стола. До-
полнительный привод обеспечивает работу схвата.
Более сложным примером может служить конструктивная схема
подвесного манипулятора универсального промышленного робота,
имеющего девять степеней свободы (рис. 6.9). Манипулятор подве-
шен на тележке, перемещающейся по балке 2, имеющей возмож-
ность горизонтального перемещения по рельсам 3 вдоль обслужи-
ваемой зоны. Рука манипулятора 4, как показано на рисунке стрел-
ками, может перемещаться относительно тележки по вертикали
и имеет три шарнирных сочленения (а, б, в), в которых она может
сгибаться, оставаясь в одной плоскости.
Кисть 5, несущая схват 6, может перемещаться вдоль оси руки
4 и вращаться вокруг этой оси. В данном случае рабочие движения
манипулятора обеспечиваются механизмами поворота звеньев
руки относительно шарниров а, б, в с двигателями 7, 8, 9, связанны-
ми с шарнирами через червячные 10, И, /2и цепные 13, 14, /5пере-
дачи; механизмами перемещения кисти 16 с двигателем 17 и рееч-
ной передачей 18, вращения кисти с двигателем 19 и механизмом
схвата с двигателем 20.
Уместно сопоставить рассмотренные примеры роботов с кра-
нами и экскаваторами. Очевидна общность этих устройств, так
Рис. 6.9. Схема подвесно-
го манипулятора:
1 — тележка; 2 — балка; 3 —
рельсы; 4 — рука манипулято-
ра; 5 — кисть; 6 — схват; 7, 8,
9, 17. 79, 20 —двигатели; 10,
11, 12 — червячные передачи;
73, 74, 75 — цепные передачи;
16 — механизм перемещения
кисти; 18 — реечная передача
224
как краны и экскаваторы, как следует из изложенного, относятся
к классу промышленных координатных манипуляторов, и их ра-
бочие движения обслуживаются однотипными по назначению
и режимам работы механизмами. В то же время ясна и специфи-
ка промышленных роботов, проявляющаяся в большей сложности
и своеобразии конструкций и больших возможностях реализации
сложных пространственных перемещений схвата.
Подъемники циклического действия представляют собой ста-
ционарные подъемные установки циклического действия, предна-
значенные для подъема грузов (грузовые подъемники), или грузов
и людей (грузопассажирские подъемники), или только людей (пас-
сажирские подъемники или лифты). Представление о конструктив-
ных исполнениях различных подъемных установок дают конструк-
тивные схемы, приведенные на рис. 6.10.
На рис. 6.10, а приведена схема одноконцевой наклонной шахт-
ной подъемной установки. Ее основным элементом является уста-
новленная в машинном зале 1 подъемная лебедка 2, которая с по-
мощью каната 5 осуществляет подъем и спуск партии вагонеток 3
Рис. 6.10. Конструктивные схемы подъемников:
а — одноконцевая наклонная шахтная подъемная установка: 1 — машинный зал; 2 —
подъемная лебедка; 3 — вагонетки; 4 — наклонный путь; 5 — канат; б — двухконцевая
шахтная подъемная установка: 1 — подъемная лебедка; 2, 3 — ветви подъемного
каната; 4,5 — клети; в — пассажирский лифт: 1 — двухконцевая лебедка; 2 — кабина
лифта; 3 — противовес; 4, 5 — направляющие; 6 — шахта
225
по наклонному пути 4. Двухконцевая шахтная подъемная установка,
схема которой приведена на рис. 6.10, б, имеет подъемную лебедку
1, отличающуюся от одноконцевой наличием ветвей подъемного
каната 2 и 3, каждая из которых несет подъемный сосуд — в данном
варианте клети 4 и 5. При одном направлении вращения барабана
лебедки поднимается клеть 4 и одновременно опускается клеть 5;
при противоположном — наоборот.
В рассматриваемом случае использование двух подъемных сосу-
дов позволяет повысить производительность машины в два раза и од-
новременно уменьшить требуемую мощность привода за счет устра-
нения холостой нагрузки, обусловленной собственным весом клети.
При большой глубине шахты и соответственно большой длине
подъемных канатов габаритные размеры барабанов недопустимо
увеличиваются. При этих условиях более удобным является использо-
вание лебедки с канатоведущим шкивом трения. В качестве примера
на рис. 6.10г в приведена конструктивная схема пассажирского лифта,
двухконцевая лебедка которого 1 имеет вместо барабана канатоведу-
щий шкив. Подъемный канат (обычно три-четыре ветви), па одном
конце которого подвешена кабина лифта 2, а па другом — противовес
3, переброшен через канатоведущий шкив. Усилие от канатоведуще-
го шкива к канату передается за счет трения между стенками ручьев
и уложенными в них ветвями подвижных канатов. Кабина лифта 2
и противовес 3 перемещаются по направляющим 4 и 5 в сквозной
шахте 6, огражденной стенами или металлической сеткой.
Существуют и другие установки общепромышленного приме-
нения, работающие в циклическом режиме. Определенной специ-
фикой обладают подъемно-транспортные машины и специальные
манипуляторы в металлургической промышленности (клещевые
колодцевые краны, кантователи, подъемные механизмы, обслу-
живающие доменный процесс, загрузочные машины), подъемно-
транспортные машины типа маятниковых канатных дорог и др. Од-
нако рассмотренных примеров достаточно для выделения типовых
общепромышленных механизмов циклического действия.
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
6.3.
На основании рассмотренной классификации можно заключить,
что к числу общепромышленных установок непрерывного действия
относится большая группа машин и механизмов, включающая в себя
различные конвейеры, эскалаторы, кольцевые канатные дороги, вер-
226
тикальные ковшовые элеваторы (нории), многокабинные подъемни-
ки, центробежные насосы, вентиляторы, компрессоры и воздуходув-
ки, а также насосы и компрессоры поршневого типа. Все эти машины
и механизмы, исключая компрессоры, объединены общностью на-
значения, так как их основной функцией является транспортирова-
ние людей, штучных и сыпучих грузов, а также жидкостей и газов.
Важная роль, которую играют общепромышленные механизмы
непрерывного действия как средства механизации и автоматиза-
ции поточно-транспортных систем, определяется в первую очередь
простотой и эффективностью их режима работы. Непрерывность
действия, с одной стороны, является фактором, обеспечивающим
более высокую производительность машин, а с другой — определя-
ет простоту и высокую надежность применяемых систем электро-
привода и автоматизации их рабочих процессов. Поэтому во всех
случаях, когда технология позволяет организовать непрерывные
поточно-транспортные системы, использование механизмов не-
прерывного действия дает значительный экономический эффект.
Конвейеры являются наиболее распространенными механиз-
мами непрерывного транспорта сыпучих и штучных материалов.
В зависимости от типа тягового элемента конвейеры подразделя-
ются на три группы: ленточные, цепные и канатные.
В подавляющем большинстве ленточных конвейеров лента
одновременно выполняет функции несущего и тягового органов.
В конструкцию такого конвейера входят следующие основные
элементы: приводной барабан 1 (рис. 6.11, а), натяжной барабан 7,
отводиой барабан 4, подвижные опорные элементы — ролики 5.
Приводной барабан совместно с редуктором 2 и двигателем 3 обра-
зует приводную станцию. Натяжной барабан совместно с устрой-
ством 8, создающим усилие на его оси, образует натяжное устрой-
ство, или натяжную станцию.
По сравнению с другими типами конвейеров, предназначен-
ных для транспортировки сыпучих грузов, ленточный конвейер
характеризуется наибольшими скоростью и производительностью.
Современные ленточные конвейеры, работающие на открытых
разработках полезных ископаемых, обеспечивают производитель-
ность до 20000 т/ч при скорости ленты до 6 м/с. Мощность приво-
да наиболее крупных конвейеров может достигать 2000... 3 000 кВт.
Наибольшая длина конвейера в односекционном исполнении в на-
стоящее время достигает 4 575 м (Канада).
В многосекционном исполнении с промежуточными перегру-
зочными станциями (рис. 6.11, б) конвейерная трасса может быть
выполнена на любую длину. Известен многосекционный конвейер
227
Рис. 6.11. Кинематические схемы односекционного (а] и многосекцион-
ного (б) ленточных конвейеров:
7 — приводной барабан; 2 — редуктор; 3 — двигатель; 4 — отводной барабан; 5 —
ролики; 6 — цепь; 7 — натяжной барабан; 8 — грузозахватное устройство
длиной 12 км, доставляющий руду от места добычи непосредственно
в трюмы грузового судна. Таким образом, обладая высокими скоро-
стями, производительностью и значительным радиусом действия,
ленточный конвейер в состоянии конкурировать с автомобильным
и железнодорожным транспортом.
Цепные конвейеры находят широкое применение в промыш-
ленности, обслуживая различные технологические процессы
производства; сборочные, красильные, сушильные линии и т.п.
На рис. 6.11, а схематично показаны распространенный в промыш-
ленности цепной подвесной конвейер и его основные элементы.
Изгиб трассы обеспечивается либо звездочками 1...5, либо соот-
ветствующим профилем опорного элемента 7, по которому катится
опорный ролик с грузозахватывающим устройством 8. Грузозах-
ватное устройство с транспортируемым грузом перемещается с по-
мощью тягового органа — цепи 6.
Разновидностью цепного конвейера является скребковый кон-
вейер (см. рис. 6.11, б). Перегородки на несущем элементе (скреб-
ки) обеспечивают возможность надежного сцепления с несущим
органом различных транспортируемых зерновых и кусковых на-
сыпных грузов. Широкое распространение данный конвейер по-
лучил в угледобывающей промышленности, на обогатительных фа-
бриках, предприятиях химической промышленности и т. п.
Пассажирский вариант цепного конвейера — эскалатор, пере-
мещающийся по наклонной трассе.
228
6.4.
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ МЕХАНИЗМЫ
Производственные механизмы подразделяются на механизмы
циклического действия, механизмы непрерывного транспорта, а так-
же насосы, вентиляторы и компрессоры. Изучение общих вопросов
и требований к электроприводу и системам автоматизации рабочих
режимов типовых общепромышленных механизмов закрепляется
и дополняется анализом примеров схем электропривода основных ме-
ханизмов конкретных общепромышленных установок, а также рас-
смотрением электрооборудования ряда технологических комплексов,
обслуживаемых типовыми общепромышленными механизмами.
Для эффективной работы производства необходимы подъемно-
транспортные установки различного назначения и различного кон-
структивного исполнения. Основными из них являются:
подвесные (тельферы) и наземные электротележки (электро-
кары);
конвейеры (транспортеры);
мостовые краны;
лифты грузовые и пассажирские.
Передвижение моста (несущей конструкции) осуществляется
но рельсам подкранового пути, вдоль пролета цеха. Кинематиче-
ская схема механизма передвижения представлена на рис. 6.12.
Главные балки коробчатого сечения или в виде решетчатых
ферм расположены по ширине пролета цеха и скреплены концевы-
ми балками. На концевые балки устанавливаются ходовые колеса 5,
которые движутся по рельсам 3. Привод колес от ЭД 1 с тормозом
2 через редуктор 4 может быть раздельным или общим. Скорость
передвижения моста номинальная — от 2,0 до 2,3 м/с.
Для обслуживания ЭО предусмотрен люк для выхода из кабины
на мост, а токоведущие части кабины ограждены.
Все металлоконструкции крана заземлены через подкрановые
пути, которые соединены с контуром заземления цеха.
Производительность лифта зависит:
от коэффициента загрузки кабины, зависящий от интенсивно-
сти грузопотока;
номинальной грузоподъемности;
высоты подъема;
скорости движения кабины;
суммарного времени промежуточных операций, кроме движения.
Производительность определяется массой перевозимого за 1 ч
груза или количества пассажиров (Счел = 75 кг). Кроме того, должны
229
Рис. 6.12. Кинематические схемы механизма передвижения моста с об-
щим (а] и раздельным [б] приводом колес:
1 — двигатель; 3 — тормоз; 3 — рельсы; 4 — редуктор; 5 — ходовые колеса
обеспечиваться допустимые значения ускорений и замедлений при
переходных процессах (не более 3 м/с2), точная остановка на уров-
не этажной площадки,
6.5.
ПОДВЕСНЫЕ И НАЗЕМНЫЕ
ЭЛЕКТРОТЕЛЕЖКИ
Подвесная электротележка (рис. 6.13) состоит из трех основных
частей:
1) грузоподъемного механизма (электроталь), предназначенного
для подъема (опускания) и удержания груза;
230
Рис. 6.13. Кинематическая схема подвесной электротележки:
1 — ходовая тележка; 2 — двигатель тележки; 3 — монорельс; 4 — выключатель ко-
нечной тележки; 5 — двигатель подъемного механизма; 6 — канатный барабан; 7 —
выключатель крюка; 8 — крюк; 9— электромагнитный тормоз; 70, 7 7 — редуктор
2) механизма передвижения (ходовая тележка), предназначен-
ного для перемещения поднятого груза в строго определенном на-
правлении;
3) монорельса, определяющего горизонтальное движение в двух
направлениях.
Электроталь смонтирована на ходовой тележке и включает
в себя следующее оборудование:
электродвигатель 5 подъемного механизма;
редуктор 10 цилиндрический для снижения частоты вращения
электродвигателя до величины, обеспечивающей заданную ли-
нейную скорость подъема (опускания) крюка;
электромагнитный тормоз 9, для затормаживания вала двигате-
ля при отключении его от сети или исчезновения напряжения
в сети, применяется колодочный тормоз, работающий от усилия
пружин при охвате вала колодками;
выключатель конечный 7 крюка для ограничения подъема крю-
ка; при нажатии на него двигатель отключается от сети и затор-
маживается;
барабан канатный 6 для сматывания (разматывания) и хранения
каната;
крюк 8 для крепления поднимаемого груза.
Ходовая тележка смонтирована на монорельсе 3, опирается хо-
довыми колесами на нижние полки двутавровой балки. Привод на ко-
леса — через цилиндрический редуктор 11 от электродвигателя 2,
231
Монорельс — двутавровая балка с конечными выключателями 4
на концах для ограничения горизонтального хода.
Примечание. Электроснабжение поступает через токосъемники
от троллеев (контактных проводов), проложенных на уровне монорельса.
Кроме того, на базе ЭТ построены и другие машины безрельсо-
вого напольного электротранспорта: электрогрузчики, электрошта-
белеры, электротягачи.
Для работы механизма подъема применяется система гидравли-
ки, приводимая в действие насосом гидравлики. Приводом насоса
является отдельный электродвигатель постоянного тока.
Электродвигатели могут быть постоянного тока защитного ис-
полнения (от брызг и попадания твердых частиц размером более
1 мм), последовательного или смешанного возбуждения, естествен-
ного охлаждения, реверсивные. Технические данные таких ЭД:
режим работы двигателей — повторно-кратковременный (ПВ)
с ПВНОМ=40%.
6.6.
КОНВЕЙЕРЫ
Конвейеры (транспортеры} — это механизмы непрерывного
транспорта, предназначенные для транспортирования различных
грузов, готовых изделий продукции внутри цехов и между ними.
В зависимости от назначения конвейеры подразделяются на лен-
точные, подвесные, роликовые и др.
Ленточный конвейер представлен на рис. 6.14. Тяговым орга-
ном является лента 3 текстильная, прорезиненная, стальная или из-
готовленная из другого материала. Замкнутая лента натягивается
на барабаны: ведущий 6 и ведомый 1. Ведущий барабан приводится
во вращение через механическую передачу 5 электродвигателем 4.
Передача может быть цепной или ременной. Для устранения про-
висания ленты вдоль нее устанавливаются поддерживающие роли-
ки 2.
Ведомый барабан 1 имеет перемещающиеся по направляющим
подшипники 10, связанные с механизмом натяжения 7, который со-
стоит из груза 8 и отводного шкива 9. Подшипники и груз связаны
канатом, перекинутым через шкив. Груз 8 обеспечивает необходи-
мое натяжение ленты в процессе эксплуатации при изменении на-
грузки на конвейере. Для увеличения сцепления между лентой и ба-
рабаном его поверхность покрывается резиной, пластмассой или
керамикой. Транспортируемое изделие располагается на ленте.
232
4
Рис. 6.14. Ленточный конвейер:
1 — ведомый барабан; 2 — поддерживающие ролики; 3 — лента; 4 — электродви-
гатель; 5 — передача; 6 — ведущий барабан; 7 — механизм натяжения; 8 — груз;
9 — отводной шкив; 70 — подшипник
Разновидностью ленточного является пластинчатый конвейер.
Его тяговый орган представляет собой замкнутое пластинчатое по-
лотно, пластины которого прикреплены к тяговым цепям. Тяговые
цепи перекинуты через ведущие и ведомые звездочки барабанов,
приводимых во вращение электродвигателем.
В подвесном, конвейере тяговым органом является цепь или
канат, который связан с кареткой, перемещающейся в горизон-
тальной плоскости непрерывно. Цепь через звездочку приводится
в движение электродвигателем приводной станции. Перемещае-
мые грузы подвешиваются на специальных подвесках или крюках
к кареткам. Каретки на роликах перемещаются по монорельсу или
балке. Для предотвращения провисания цепи, складывания звеньев
и поломок кареток применяются натяжные устройства цепи.
Роликовые конвейеры (рольганги) представляют собой систе-
му роликов, расположенных горизонтально (рис. 6.15). Рольганги
Рис. 6.15. Роликовый конвейер
233
обычно применяются на металлургических предприятиях для пере-
мещения изделий круглой формы и нагретых заготовок.
Достоинства конвейеров:
непрерывность действия без остановок на загрузку и выгрузку;
простота устройства и эксплуатации;
большая производительность по сравнению с периодически ра-
ботающими кранами и подъемниками.
По способу управления выделяют конвейеры:
одиночно работающие — при небольших расстояниях;
системы (ПТС).
Основным транспортным оборудованием ПТС являются кон-
вейеры различного типа большой и малой протяженности. Такая
система представляет собой комплекс различного оборудования,
механизмов и устройств, предназначенных для выполнения опера-
ций единого технологического процесса.
Условия эксплуатации электропривода:
продолжительный режим работы без пауз за время включения;
редкие пуски и неизменное направление вращения;
преодоление статических моментов при трогании под нагрузкой
(после внезапной аварийной остановки);
влияние окружающей среды (перепад температур, агрессивная
среда, запыленность и т.п.).
Существуют механизмы, привод которых состоит из одинако-
вых двигателей (два и более), требующих вращения с равными ско-
ростями. Примерами могут служить механизмы башенных кранов,
створов разводных мостов, ворот шлюзов, конвейеров, в которых
требуется согласованное вращение электродвигателей, а соедине-
ние их механическим валом невозможно.
В этом случае применяется электрическая связь между ротора-
ми асинхронных (АД) или синхронных (СД) двигателей, называе-
мая электрическим валом. Достичь этого можно, применяя специ-
альные схемы.
Схема электрического вала с вспомогательным АД представле-
на на рис. 6.16. В состав схемы входят два главных двигателя (ГД1
и ГД2), приводящих в движение соответственно «Механизм 1»
и «Механизм 2». Они имеют один тип, габаритные размеры, па-
спортные данные, а значит, и характеристики.
На каждом валу ГД 1 и ГД2 смонтированы вспомогательные асин-
хронные двигатели АД 1 и АД2, фазные роторы которых соединены
электрически.
Мощность вспомогательных электродвигателей значительно
меньше мощности главных электродвигателей,
234
Сеть
Рис. 6.16. Схема электрического вала с вспомогательным АД
Обмотки статоров главных двигателей включены в сеть с пря-
мым чередованием фаз (А, В, С), а вспомогательных двигателей —
с обратным чередованием фаз (С, В, А). Это означает, что поле ста-
тора вспомогательного двигателя направлено в противоположную
сторону (по отношению к вращению ротора). Таким образом, вспо-
могательный двигатель работает в режиме противовключения, при
котором скольжение S > 1, а следовательно, и ЭДС наводится в рото-
ре больше. Мощность вспомогательных электродвигателей значи-
тельно меньше мощности главных электродвигателей.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Как классифицируются основные общепромышленные меха-
низмы?
2. Как подразделяются общепромышленные механизмы по харак-
теру технологического процесса?
3. Дайте определение общепромышленных механизмов цикличе-
ского действия.
4. Расскажите о видах кранов, экскаваторов.
5. Каков принцип действия манипуляторов? Для чего они предна-
значены?
6. Дайте определение общепромышленным механизмам непре-
рывного действия.
7. Расскажите о конвейерах. Перечислите их типы.
Глава 7
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
КОМПРЕССОРОВ, ВЕНТИЛЯТОРОВ
И НАСОСОВ
7.1.
ТИПОВЫЕ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫЕ
МЕХАНИЗМЫ
Приведенный краткий обзор конструкций установок общепро-
мышленного применения показывает, что, несмотря на многооб-
разие частных разновидностей таких машин и механизмов, из них
можно выделить ограниченное число механизмов, выполняющих
в различных конкретных установках одинаковые функции и ра-
ботающих в одном и том же режиме, к электроприводу которых
предъявляются однотипные главные требования.
Различные по конструкции и специализации установки цикли-
ческого действия предназначены для пространственного пере-
мещения своего рабочего органа в целях выполнения подъемно-
транспортных и заданных специальных технологических опера-
ций. Особенности конструкций машин определяются сложностью
траекторий движения рабочего органа, требуемых для выполнения
предусмотренных технологических операций. Они проявляются
в первую очередь в числе степеней свободы машины, необходимых
для осуществления предусмотренного манипулирования ее рабо-
чим органом. Если по условиям технологии достаточно перемещать
рабочий орган по одной пространственной координате, то приме-
няются стационарные машины, основным механизмом которых яв-
ляется подъемная или тяговая лебедка.
При необходимости пространственных перемещений схвата
по трем координатам требуются три механизма. Так, крюковой или
236
магнитный кран обслуживается подъемной лебедкой, механизмом
передвижения тележки и механизмом передвижения моста. Пово-
ротный кран или одноковшовый экскаватор обычно имеют четыре
степени свободы и снабжаются соответственно четырьмя механиз-
мами: подъема, изменения вылета (напора, тяги), поворота и пере-
движения всей машины.
Если требуется управлять грузозахватывающим устройством,
то предусматривается дополнительный механизм — лебедка закры-
вания грейфера, механизм открывания днища ковша и т.п. Наи-
более широкими возможностями перемещения схвата по слож-
ным пространственным траекториям и его ориентации обладают
универсальные промышленные роботы. Их манипуляторы имеют
наибольшее число степеней свободы и соответствующее число ме-
ханизмов перемещения и поворота элементов пространственной
многозвенной механической системы по этим координатам.
Несмотря на существенные конструктивные особенности раз-
личных установок циклического действия, их рабочие движения
совершаются ограниченным числом механизмов, однотипных
по принципу действия, основному назначению и выполняемым
функциям: подъемными и тяговыми лебедками, а также различны-
ми по конструкции механизмами передвижения и поворота. Все
эти механизмы являются типовыми, так как предъявляют к элек-
троприводу и его системе управления ряд характерных общих тре-
бований при любом конструктивном исполнении.
Рассмотрение конструктивных особенностей общепромышлен-
ных механизмов непрерывного действия показывает, что, несмо-
тря на общность режима работы и назначения (исключая компрес-
соры) по принципу действия, они подразделяются на две группы:
1) разнообразные подъемно-транспортные машины непрерыв-
ного действия;
2) насосы, вентиляторы и компрессоры.
Основные особенности механизмов непрерывного транспорта
достаточно полно выявляются при рассмотрении конвейеров, по-
этому конвейер можно рассматривать как типовой общепромыш-
ленный механизм непрерывного действия. Вторая группа механиз-
мов непрерывного действия в связи с существенными различиями
в принципах действия и характере нагрузок, в свою очередь, под-
разделяются на центробежные и поршневые механизмы, которые
также рассматриваются как типовые общепромышленные меха-
низмы непрерывного действия.
Классификация изучаемых производственных механизмов пред-
ставлена в табл. 7.1.
237
Таблица 7.1. Классификация установок сжатого воздуха
Установки сжатоlu воздуха Параметры
Давление на напоре, Па Принцип действия
Вентиляторы (1,0... 1,1) • 105 Осевые, центробежные
Воздуходувки (1,1 ...4,0) • 105 — Центро- бежные
Компрессоры (4... 1 000) • 105 (4...6) • 105 Турбинные
(6... 15) • 105 Ротационные
(15... 1 000) • 105 Поршневые
В соответствии с этой классификацией рассматривают общие
вопросы электропривода и автоматизации типовых механизмов
данной группы: механизмов циклического действия, механизмов
непрерывного транспорта, а также насосов, вентиляторов и ком-
прессоров, Изучение общих вопросов и требований к электропри-
воду и системам автоматизации рабочих режимов типовых обще-
промышленных механизмов закрепляется и дополняется анализом
примеров схем электропривода основных механизмов конкретных
общепромышленных установок, а также рассмотрением электро-
оборудования ряда технологических комплексов, обслуживаемых
типовыми общепромышленными механизмами.
7.2.
ЭЛЕКТРОПРИВОД ТИПОВЫХ
ОБЩЕПРОМЫШЛЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
К общепромышленным механизмам непрерывного действия
условно можно отнести установки сжатого воздуха (УСВ) и насо-
сные установки, так как в них нуждается любое предприятие. Уста-
новки подобного рода обеспечивают жизнедеятельность рабочего
персонала и технические процессы на производстве. Кроме того,
они имеют много общего в принципе действия, конструктивных
решениях и характеристиках.
Установки сжатого воздуха. Классификация установок сжатого
воздуха по назначению, давлению па напоре и принципу действия
УСВ представлена в табл. 7.1.
Вентиляторы предназначены для вентиляции производствен-
ных помещений, отсасывания газов, подачи воздуха или газа в ка-
238
меры электропечей и т. п. Они имеют небольшой перепад давления
(до 104 Па) между насосом и напором, выполняются осевыми или
центробежными (рис. 7.1).
Центробежные и осевые вентиляторы отличаются конструкци-
ей воздушной полости и расположением приводного электродвига-
теля. У центробежных вентиляторов воздушная полость выполнена
в виде улитки при расположении ЭД вне этой полости, а у осево-
го — ЭД расположен внутри воздушной полости (раструба), что
обеспечивает его охлаждение потоком воздуха. Рабочее колесо 1
центробежного вентилятора расположено в корпусе эксцентрич-
но, что позволяет повысить давление на напоре. Рабочее колесо /
осевого вентилятора по форме сходно с воздушным или гребным
винтом, которые создают тягу (поток) воздуха через раструб.
На предприятиях наибольшее распространение получили цен-
тробежные вентиляторы, для которых характерны следующие за-
висимости:
0 = C*ico;
М = С2а2; (7.1)
Р=О3,
где <? — производительность вентилятора, м3/с; Ch С2, С3 — посто-
янные коэффициенты; со — угловая скорость вентилятора (двигате-
ля), рад/с; М — момент на валу вентилятора, Н • м; Р — статическая
мощность па валу вентилятора, кВт.
Напор
Всасывание
а
Рис. 7.1. Схемы центробежного (а) и осевого (б) вентиляторов:
7 — рабочее колесо; 2 — корпус; 3 — раструб
239
Компрессоры предназначены для получения сжатого возду-
ха или газа с повышенным давлением в целях его использования
в пневматических устройствах (пневмоустановки, пневмоинстру-
мент, пневмоавтоматика и т. п.).
Пр имечание. Воздуходувки являются разновидностью компрессо-
ров и обеспечивают давление воздуха или газа от 1,1 105до 4- 105Па.
Компрессоры работают при большом перепаде давления между
насосом и напором и выполняются центробежными (турбинные
и ротационные) и поршневыми (рис. 7.2).
Центробежные компрессоры создают давление воздуха на на-
поре до 15-105 Па при высокой производительности и не требуют
дополнительных систем для обеспечения нормальной работы. Они
просты по устройству и надежны в эксплуатации. Турбинные и ро-
тационные центробежные компрессоры отличаются конструкцией
роторов 1 и корпусов 2.
В турбинном компрессоре на роторе, расположенном
в корпусе эксцентрично, установлены лопасти 4. Увеличение давле-
ния при вращении создается за счет сжатия воздуха между корпу-
сом и лопастями.
В ротационном компрессоре эксцентрично располо-
женный ротор имеет пластины 5, которые перемещаются в направ-
ляющих ротора под действием центробежных сил при его враще-
нии. Увеличение давления создается путем сжатия воздуха в каме-
Рис. 7.2. Схемы турбинного (а), ротационного (б] и поршневого (в) ком-
прессоров:
1 — ротор; 2 — корпус; 3 — невозвратные вентили; 4 — лопасть; 5 — пластина;
6 — клапан; 7 — поршень; 8 — впускной клапан; 9 — выпускной клапан; 10 —
кривошипно-шатунный механизм
240
pax, образуемых пластинами и корпусом, к которому они плотно
прилегают при вращении. Для работы компрессора без потребле-
ния воздуха (газа) предусмотрен обходной трубопровод с клапаном
6. На всасывающих и напорных трубопроводах обычно устанавли-
ваются невозвратные вентили 3, которые исключают обратный ход
воздуха при остановке компрессоров.
Особенностью центробежных компрессоров является равно-
мерное истечение воздуха повышенного давления, что не требует
установки дополнительных приспособлений для выравнивания не-
равномерности нагрузки на ЭП. При отсутствии противодавления
справедливы формулы (7.1).
Поршневые компрессоры создают давление воздуха на напоре
до 10s Па при сравнительно малой производительности, Рабочим
органом является поршень (рис. 7.2, в), возвратно-поступательное
движение которого обеспечивается ЭД через кривошипно-шатун-
ный механизм 10. При движении поршня вниз воздух поступает
через впускной клапан 8, а при движении вверх — выталкивается
через выпускной клапан 9.
Особенностью поршневых компрессоров является неравно-
мерность выхода воздуха на напоре, что требует дополнительных
устройств, устраняющих неравномерность. Сглаживание пульса-
ций возможно установкой маховика на валу приводного ЭД.
Для уменьшения колебаний давления воздуха у потребителя по-
сле компрессора устанавливают ресивер (промежуточный возду-
хосборник) , который представляет собой герметичный резервуар.
Наличие трущихся частей и, следовательно, повышенного на-
грева требует вспомогательных обслуживающих систем:
системы водяного охлаждения (СВО);
системы смазки (масляная система).
Наибольшая неравномерность у компрессоров одинарного дей-
ствия (подача воздуха только при движении поршня вверх). Для
уменьшения неравномерности применяются компрессоры двойно-
го действия (подача воздуха производится при движении поршня
в обе стороны).
Высокие давления воздуха (газа) получают в многоступенча-
тых компрессорах, в которых сжатие происходит последовательно
в нескольких цилиндрах или камерах. Поршневые компрессорные
установки, безусловно, являются более сложными конструкциями
по сравнению с центробежными.
Насосные установки. Их применяют на производстве для обе-
спечения технологического процесса предприятия и жизнедея-
тельности работающего коллектива. Насосы работают в системе
241
водоснабжения и канализации, перекачивают агрессивные и тех-
нологические жидкости и т.п. По принципу действия насосные
установки подразделяются на три группы: поршневые (ПН), цен-
тробежные (ЦП) и оседиагональные (ОДН).
Поршневые насосные установки предназначены для перека-
чивания жидкости при больших высотах всасывания (до 6 м) с не-
большой производительностью. Как и для всех поршневых систем,
для них характерны неравномерность хода и пульсация нагрузки
(при всасывании жидкости — холостой ход, а при сжатии — рабо-
чий), поэтому жидкость в напорном трубопроводе течет неравно-
мерно.
Для сглаживания пульсаций нагрузки и повышения равномер-
ности хода в одном насосе применяют несколько рабочих цилин-
дров, а на валу устанавливают маховик.
Поршневые насосы во избежание гидроудара и поломки пуска-
ются только при открытых задвижках на напоре. При работе насоса
на магистраль, где поддерживается постоянный напор, поршню при
каждом ходе приходится преодолевать постоянное среднее усилие
независимо от скорости перемещения. Таким образом, поршневой
насос пускается в ход под нагрузкой, поэтому требуется ЭП с повы-
шенным пусковым моментом. Для нормальной эксплуатации порш-
невых насосных установок необходимы вспомогательные системы
(водяного охлаждения и смазки).
Центробежные насосные установки предназначены для пе-
рекачивания жидкости при малых высотах всасывания с большой
производительностью. В отличие от поршневых насосов, ход у них
равномерный, а истечение жидкости — без пульсаций. Особенно-
стью насосов является необходимость заполнения полости жидко-
стью перед пуском; в противном случае, насос не будет перекачи-
вать жидкость из-за «разрыва струи».
Если насос находится ниже уровня перекачиваемой жидкости,
то для его заливки достаточно открыть вентиль (задвижку) на на-
поре, и заполнение произойдет самотеком. Если насос находится
выше уровня жидкости, то для его заполнения необходимы допол-
нительные устройства:
вакуум-насосы, создающие разряжение в полости насоса, что
обеспечивает заливку;
аккумуляторные баки, заполненные жидкостью и установлен-
ные выше уровня жидкости (так как бак соединен с всасываю-
щим трубопроводом, то после остановки полость насоса всегда
будет заполнена).
Пуск насоса возможен в трех вариантах:
242
1) при закрытой напорной задвижке. В этом случае давление
в напорном трубопроводе повышается плавно и гидравлический
удар исключен; пуск — практически вхолостую;
2) при открытой напорной задвижке. Этот вариант целесообраз-
но применять, если насос расположен ниже уровня жидкости и есть
обратный клапан. Время пуска меньше, чем при закрытой задвиж-
ке, так как не требуется тратить время на открытие задвижки;
3) при одновременном открытии напорной задвижки и пуске
ЭД — это частный случай первых двух вариантов.
При остановке необходимо сначала медленно закрыть задвижку
на напоре, а затем остановить ЭД насоса.
Примечание. Предварительное закрытие задвижки на напоре (пе-
ред остановкой) необходимо во избежание возможного гидроудара (при
отсутствии обратного клапана) и гидротурбинного режима насоса под на-
пором жидкости в системе.
Оседиагональные насосные установки предназначены для
транспортирования неоднородных по плотности и вязкости жидко-
стей. Например, откачка разлитой нефти, удаление нефтеостатков
из емкостей, перекачка грунтовых и глинистых растворов.
Насосы семейства ОДН более мощные, долговечные и ви-
броустойчивые, чем все остальные. При малой массе (например,
35 кг) они имеют производительность до 150 м3/ч. Это новейшая
выпускаемая серия работает в нефтеперегонной промышленно-
сти, нефтяных терминалах морских и речных портов. В настоя-
щее время выпущены насосы производительностью до 1 000 м3/ч
для выполнения уникальной операции — перекачки холодного
мазута.
Электропривод. Режим работы электроприводов общепромыш-
ленных механизмов — продолжительный, реверса не требуется.
Применяются следующие электродвигатели:
АД с короткозамкнутым ротором мощностью до 100 кВт при на-
пряжении 380 В, с прямым пуском от мощной сети или через ав-
тотрансформатор (реактор), ограничивающий пусковой ток;
СД мощностью более 100 кВт при напряжении 10 (6) кВ с пря-
мым пуском от мощной сети.
Наиболее применимыми являются серии 4А (основного испол-
нения), 4АР (с повышенным пусковым моментом), АИ (новая серия)
на напряжение 380 В и СДН (насосы, вентиляторы, дымососы), СДК
(компрессоры) на напряжение 10 (6) кВ.
Примечания: 1. АД с фазным ротором применяются, если необхо-
димо регулирование скорости механизмов с вентиляторной нагрузкой
на валу (например, вентиляторы и дымососы котельных).
243
2. Для компрессорных установок двигатели обычно тихоходные, а для
насосных и вентиляторных установок — быстроходные.
3. Технически и экономически обоснованный нижний предел номи-
нальных мощностей синхронных двигателей составляет от 500 до 600 кВт.
Синхронные двигатели с частотой вращения до 1000 об./мин
выпускаются с явнополюсными роторами с демпферной (пуско-
вой) обмоткой, а с частотой вращения 1500 об./мин, как правило,
мощностью свыше 12500 кВт с массивными полюсами без демп-
ферной обмотки.
Синхронные двигатели с частотой вращения до 3000 об./мин
имеют не явно выраженные полюса.
Синхронные двигатели выпускаются на напряжение 6 и 10 кВ,
а низковольтные (0,38 кВ) до 320 кВт заменяются на более эконо-
мичные АД.
В настоящее время для возбуждения СД применяют только по-
лупроводниковые статические или бесщеточные системы возбуж-
дения.
ВЕНТИЛЯЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ
7.3.
Центробежные вентиляторы являются основным элементом
различных вентиляционных установок (ВУ). Они обеспечивают
технологический процесс производства (подача газа в рабочие объ-
емы) и условия трудовой деятельности (кондиционеры, общецехо-
вая система вентиляции).
Рис. 7.3. Графики зависимостей центробежных вентиляторов:
а — мощность на валу приводного электродвигателя; б — производительность вен-
тилятора; в — момент на валу приводного электродвигателя
244
Вентиляционные установки достаточно просто поддаются авто-
матизации по сигналам изменения режима и реагируют на них без
участия обслуживающего персонала путем переключения в схемах
управления. Это позволяет задачи обслуживающего персонала све-
сти к периодическому контролю за установками и плановой про-
филактике.
Основным параметром регулирования таких установок, на ко-
торый надо воздействовать, является угловая скорость приводно-
го электродвигателя (рис. 7.3). Процесс регулирования сводится
к изменению количества воздуха (газа) на выходе вентиляционной
установки.
7.4.
КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ
Основное назначение компрессорных установок (КУ) — обе-
спечение технологического процесса. В цехах устанавливается КУ
небольшой мощности, а на предприятиях, при централизованном
обеспечении потребителей сжатого воздуха, — компрессорные
станции (КС). График потребления сжатого воздуха на промыш-
ленных предприятиях, как правило, имеет в течение суток пере-
менный характер.
Для обеспечения нормальной работы потребителей необходимо,
чтобы давление воздуха поддерживалось постоянным. Давление
в воздуховоде зависит от потребления воздуха и производительно-
сти компрессора. Если расход равен производительности, то давле-
ние воздуха в магистрали будет номинальным. Если потребление
воздуха становится больше производительности, то давление пада-
ет, и наоборот. Таким образом, основным условием автоматизации
КУ является поддержание постоянства давления воздуха в маги-
страли.
Производительность КУ регулируется следующими способами:
путем открывания всасывающих клапанов с помощью регулято-
ра давления;
периодическим включением компрессорных агрегатов в соот-
ветствии с графиком потребления воздуха и давлением в маги-
страли.
Основным устройством, контролирующим давление воздуха
в магистрали и формирующим сигнал в схему управления, являет-
ся электроконтактный манометр (рис. 7.4). Основным элементом
манометра является трубка Бурдона 4, которая изгибается по не-
полной дуге, плоского поперечного сечения, закрытая с одного кон-
245
Рис. 7.4. Электроконтактный мано-
метр:
1 — подвижной контакт; 2 — стрелка;
3 — передаточный механизм; 4 — труб-
ка Бурдона; 5 — неподвижный контакт;
1 ...3 — неподвижные контакты
ца (подвижного). Неподвижный
конец трубки сообщается с кон-
тролируемой средой (вход).
При увеличении давления
трубка изгибается, а при умень-
шении — сжимается. Действие
трубки основано па линейной
зависимости между упругой де-
формацией и давлением внутри
нее. Изменение давления вы-
зывает перемещение закрытого
конца трубки, который связан тя-
гой с передаточным механизмом
(ПМ) 3. Передаточный механизм
представляет собой зубчатую
передачу (например, сектор —
шестерня), которая перемещает
подвижный контакт 1, установ-
ленный па стрелке 2, жестко свя-
занной с осью передачи. Два не-
подвижных контакта 1 и 3 подключаются к цепям управления.
При повышении давления трубка 4 стремится разогнуться и,
если уставка по давлению будет превышена, замкнется цепь с кон-
тактами 2 и 3, а при понижении давления ниже уставки — цепь
с контактами 1 и 2.
Контактная система допускает работу в цепях напряжением
380 В переменного тока и 220 В постоянного тока, что не требует
промежуточных преобразований. Кроме контактных манометров
применяются реле давления, действующие по другому принципу
(поршневые, сильфонные и др.).
Так как КУ большой мощности и большого давления, (поршне-
вые) обслуживаются вспомогательными системами, то в их составе
действуют принадлежащие им устройства автоматизации, обеспе-
чивающие защиту КУ при отказе. Например, отказ системы водя-
ного охлаждения контролируется струйным реле, а системы смаз-
ки — реле давления масла.
Так как при сжатии воздух нагревается, то необходимо не только
его охлаждать, но и контролировать температуру воздуха датчика-
ми температуры и формировать аварийно-предупредительные сиг-
налы. Все сигналы, сформированные устройствами автоматизации,
вводятся в релейно-контактные схемы управления электроприво-
дом.
246
7.5.
НАСОСНЫЕ УСТАНОВКИ
Насосные установки предназначены для транспортирования
жидкости, заполнения и осушения резервуаров, обслуживания ме-
ханизмов (например, система водяного охлаждении).
Наибольшее распространение получили центробежные насосы
(ЦН). Для централизованного обеспечения водой промышленных
и сельскохозяйственных объектов сооружаются насосные станции,
состоящие из крупных насосных агрегатов и имеющие обслужи-
вающий персонал.
Характеристика центробежных насосов. Эксплуатационные
свойства ЦН определяются зависимостью напора (давление жидко-
сти) на выходе от производительности при различных скоростях:
H=F(Q),
где Н — напор на выходе жидкости; Q — производительность.
Эти зависимости обычно приводятся в виде графиков в каталогах
для каждого конкретного агрегата.
Устройства автоматизации насос-
ных установок. Наряду с аппарату-
рой общего назначения для пуска,
переключения и управления в систе-
мах автоматизации применяется спе-
циальная аппаратура
Поплавковое реле уровня
(рис. 7.5) предназначено для контро-
ля уровня в резервуарах с неагрес-
сивной жидкостью и выдачи сигнала
в схему управления. В резервуар 1 по-
гружается поплавок 2, который под-
вешен на гибком канате 5, перекину-
том через блок 4. Уравновешивание
осуществляется с помощью груза 8.
На канате укреплены две пере-
ключающие шайбы 7, положение
которых можно изменить в соответ-
ствии с условиями регулирования.
Переключающие шайбы 7 при дости-
жении предельных уровней жидко-
сти поворачивают коромысло 6, свя-
занное с контактным устройством 3,
Рис. 7.5. Поплавковое реле
уровня:
7 — резервуар; 2 — поплавок; 3 —
контактное устройство; 4 — блок;
5 — гибкий канат; 6 — коромысло;
7 — шайбы переключающие; 8 —
груз уравновешивающий
247
которое замыкает четную (2 и 4) или нечетную (1 и 3) пару контак-
тов цепей управления.
Электродное реле уровня (рис. 7.6) предназначено для контро-
ля уровня электропроводных жидкостей и выдачи сигнала в схему
управления. Основным контролирующим элементом являются два
электрода 2, помещенные в резервуар / с электроприводной жид-
костью 4. Электроды заключены в кожух 3, открытый снизу и вклю-
чены в цепь катушки реле промежуточного (РП) малогабаритного
исполнения (телефонного типа).
Слаботочное реле (РП) получает питание от понижающего транс-
форматора (по условиям электробезопасности), При подъеме уров-
ня жидкости в резервуаре до короткого электрода собирается цепь
РП, которая срабатывает, дает команду в цепь управления (РП-1)
и становится на самопитание (РП-2) через длинный электрод.
Насосный агрегат включается на откачивание жидкости из ре-
зервуара. Отключение агрегата происходит при снижении уровня
ниже длинного электрода.
Струйное реле (рис. 7.7) предназначено для контроля наличия
потока (струи) жидкости в трубопроводе. Чувствительным элемен-
том является диафрагма 1 с дроссельным устройством (отверстие
в центре), установленная в трубопроводе 4 и воспринимающая
перепад давления жидкости при протоке. Обе полости диафрагмы
Рис. 7.6. Электродное реле уровня:
7 — резервуар; 2 — электроды; 3 — ко-
жух; 4 — жидкость
Рис. 7.7. Струйное реле:
7 — диафрагма; 2 — сильфоны; 3 —
трубки; 4 — трубопровод; 5 — цилиндри-
ческие мембраны; 6 — реле ; 1... 4 —
контактная группа
248
трубками 3 соединены с сильфонами 2, у которых имеются цилин-
дрические мембраны 5, механически связанные тягами с электро-
контактной частью реле 6.
При наличии протока жидкости давление в левой полости диа-
фрагмы 1 будет больше, чем в правой, поэтому контактная группа
(1 и 3) замкнута и в цепь управления 1 дается сигнал о наличии про-
тока жидкости.
Пр и меча н и е. Струйное реле обычно применяется в системах охлаж-
дения, поэтому этот сигнал является разрешающим пуск механизма.
При уменьшении количества протекающей жидкости (например,
остановка насоса) перепад давления изменяется на диафрагме, кон-
тактная группа левая (1 и 3) размыкается, а правая (2 и 4) замыкается.
При этом выдается сигнал на остановку двигателя, который обслу-
живается этой СВО через цепь управления 2, и он останавливается.
Реле контроля заливки предназначено для контроля заливки
гидравлической полости центробежных насосов. Они могут ра-
ботать по принципу поплавка, но в настоящее время наибольшее
распространение получили реле мембранного типа. Такие реле
устанавливаются выше уровня насоса на 0,3...0,5 м. При залив-
ке полости насоса жидкостью мембрана прогибается, перемещая
прикрепленный к ней шток, что переключает контактную систему
реле, разрешая пуск насоса. После снижения давления в полости
мембрана пружиной возвращается в исходное положение.
Достоинствами мембранных реле являются большая чувстви-
тельность и способность выдерживать высокие давления. Такие
реле применяют при заливке насосных агрегатов с помощью ваку-
ум-насоса.
7.6.
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ
ВИНТОВОГО КОМПРЕССОРА
Основные достоинства винтовых компрессоров:
высокая надежность;
длительный ресурс работы;
возможность непрерывного круглосуточного функционирова-
ния;
простота монтажа и подключения;
сравнительно небольшие эксплуатационные затраты;
наличие системы автоматического управления;
низкий уровень шума;
249
высокая чистота получаемого сжатого воздуха;
низкий уровень энергозатрат на 1 м3 произведенного воздуха.
Одним из главных элементов любой холодильной машины явля-
ется компрессор. Компрессор всасывает пар хладагента, имеющий
низкие температуру и давление, затем сжимает его, повышая тем-
пературу (до 70... 90 ’С) и давление (до 15... 25 атм), а затем направ-
ляет парообразный хладагент к конденсатору.
Основными характеристиками компрессора являются степень
компрессии (сжатия) и объем хладагента, который он может нагне-
тать. Степень сжатия — это отношение максимального выходного
давления паров хладагента к максимальному входному.
В холодильных машинах используют компрессоры двух типов:
поршневые — с возвратно-поступательным движением порш-
ней в цилиндрах;
ротационные, спиральные и винтовые — с вращательным дви-
жением рабочих частей.
Поршневые компрессоры. Поршневые компрессоры (рис. 7.8)
используются чаще всего. При движении поршня 3 вверх по цилин-
дру компрессора 4 хладагент сжимается. Поршень перемещается
электродвигателем через коленчатый вал 6 и шатун 5. Под действи-
ем давления пара открываются и закрываются всасывающие и вы-
пускные клапаны компрессора холодильной машины. На рис. 7.8, а
показана фаза всасывания хладагента в компрессор. Поршень на-
Рис. 7,8. Поршневой компрессор:
а — фаза всасывания хладагента; б — фаза сжатия пара; 7 — выпускной клапан
компрессора; 2, 9 — области высокого давления; 3 — поршень; 4 — компрессор;
5 — шатун; 6 — коленчатый вал; 7, 70 — области низкого давления; 8 — впускной
клапан
250
чинает опускаться вниз от верхней точки; при этом в камере ком-
прессора создается разрежение и открывается впускной клапан 8.
Парообразный хладагент низкой температуры и низкого давления
попадает в рабочее пространство компрессора.
На рис. 7,8, б показана фаза сжатия пара и его выхода из ком-
прессора. Поршень поднимается вверх и сжимает пар. При этом от-
крывается выпускной клапан компрессора и пар под высоким дав-
лением выходит из компрессора.
Основными модификациями поршневых компрессоров (отлича-
ются конструкцией, типом двигателя и назначением) являются:
герметичные компрессоры;
полугерметичные компрессоры;
открытые компрессоры.
Герметичные компрессоры используются в холодильных ма-
шинах небольшой мощности (1,5...35 кВт). Электродвигатель рас-
положен внутри герметичного корпуса компрессора. Охлаждение
электродвигателя производится самим всасываемым хладагентом.
Полугерметичные компрессоры используются в холодильных
машинах средней мощности (30...300 кВт). В полугерметичных
компрессорах электродвигатель и компрессор соединены напря-
мую и размещены в одном разборном контейнере. Преимущество
этого типа компрессоров в том, что при повреждениях можно вы-
нуть двигатель, чтобы отремонтировать клапаны, поршень и другие
части компрессора. Охлаждение электродвигателя производится
самим всасываемым хладагентом.
Открытые компрессоры имеют внешний электродвигатель,
выведенный за пределы корпуса и соединенный с компрессором
напрямую или через трансмиссию.
Мощность многих холодильных установок может плавно регу-
лироваться с помощью инверторов — специальных устройств, из-
меняющих скорость вращения компрессора. В полугерметичных
компрессорах возможен и другой способ регулировки мощности —
перепуском пара с выхода на вход либо закрытием части всасываю-
щих клапанов.
Основные недостатки поршневых компрессоров:
пульсации давления паров хладагента на выходе, приводящие
к высокому уровню шума;
большие нагрузки при пуске, требующие большого запаса мощ-
ности и приводящие к износу компрессора.
Ротационные компрессоры вращения. Принцип работы рота-
ционных компрессоров вращения основан на всасывании и сжа-
тии газа при вращении пластин. Их преимущество перед поршне-
251
выми компрессорами заключается в низких пульсациях давления
и уменьшении тока при запуске.
Существуют две модификации ротационных компрессоров:
со стационарными пластинами;
с вращающимися пластинами.
В компрессоре со стационарными пластинами хладагент
сжимается при помощи эксцентрика, установленного на ротор
двигателя. При вращении ротора эксцентрик катится по внутрен-
ней поверхности цилиндра компрессора и находящийся перед ним
пар хладагента сжимается, а затем выталкивается через выпускной
клапан компрессора. Пластины разделяют области высокого и низ-
кого давления паров хладагента внутри цилиндра компрессора.
На рис. 7.9 показан рабочий цикл компрессора со стационарными
пластинами:
1) пар заполняет имеющееся пространство;
2) начинаются сжатие пара внутри компрессора и всасывание
новой порции хладагента;
3) сжатие и всасывание продолжаются;
4) сжатие завершается, пар окончательно заполняет простран-
ство внутри цилиндра компрессора.
В компрессоре с вращающимися пластинами хладагент сжи-
мается при помощи пластин, закрепленных на вращающемся рото-
ре. Ось ротора смещена относительно оси цилиндра компрессора.
Края пластин плотно прилегают к поверхности цилиндра, разделяя
области высокого и низкого давлений. На рис. 7.10 показан цикл
всасывания и сжатия пара:
1) пар заполняет имеющееся пространство;
2) начинаются сжатие пара внутри компрессора и всасывание
новой порции хладагента;
3) сжатие и всасывание завершаются;
4) начинается новый цикл всасывания и сжатия.
Рис. 7.9. Компрессор со стационарными пластинами — фазы (1 ...4] ра-
бочего цикла
252
Рис. 7.10. Компрессор с вращающимися пластинами — фазы (1 ...4) ра-
бочего цикла
Спиральные компрессоры. Спиральные компрессоры применя-
ются в холодильных машинах малой и средней мощностей. Такой
компрессор состоит из двух стальных спиралей. Они вставлены
одна в другую и расширяются от центра к краю цилиндра компрес-
сора. Внутренняя спираль неподвижно закреплена, а внешняя вра-
щается вокруг нее.
Спирали имеют особый профиль (эвольвента), позволяющий пе-
рекатываться без проскальзывания. Подвижная спираль компрес-
сора установлена на эксцентрике и перекатывается по внутренней
поверхности другой спирали. При этом точка касания спиралей
постепенно перемещается от края к центру. Пары хладагента, на-
ходящиеся перед линией касания, сжимаются и выталкиваются
в центральное отверстие в крышке компрессора. Точки касания
расположены на каждом витке внутренней спирали, поэтому пары
сжимаются более плавно, меньшими порциями, чем в других типах
компрессоров. В результате нагрузка на электродвигатель компрес-
сора снижается, особенно в момент пуска компрессора.
Пары хладагента поступают через входное отверстие в цилин-
дрической части корпуса, охлаждают двигатель, затем сжимаются
между спиралями и выходят через выпускное отверстие в верхней
части корпуса компрессора.
Недостатки спиральных компрессоров:
1) сложность изготовления;
2) необходимость очень точного прилегания спиралей и герме-
тичности по их торцам.
Винтовые компрессоры. Их применяют в холодильных машинах
большой мощности (150... 3 500 кВт).
Существуют две модификации этого типа:
1) с одинарным винтом;
2) с двойным винтом.
Винтовой компрессор с одинарным винтом имеет одну или
две шестерни-сателлита, подсоединенные к ротору с боков. Сжатие
253
паров хладагента происходит с помощью вращающихся в разные
стороны роторов. Их вращение обеспечивает центральный ротор
в виде винта. Пары хладагента поступают через входное отверстие
компрессора, охлаждают двигатель, затем попадают во внешний
сектор вращающихся шестеренок роторов, сжимаются и выходят
через скользящий клапан в выпускное отверстие.
Винты компрессора должны прилегать герметично, поэтому ис-
пользуется смазывающее масло. Впоследствии масло отделяется
от хладагента в специальном сепараторе компрессора.
Винтовой, компрессор с двойным винтом отличается использо-
ванием двух роторов: основного и приводного. Винтовые компрес-
соры не имеют впускных и выпускных клапанов. Всасывание хла-
дагента постоянно происходит с одной стороны компрессора, а его
выпускание — с другой стороны. При таком способе сжатия паров
уровень шума гораздо ниже, чем у поршневых компрессоров.
Винтовые компрессоры позволяют плавно регулировать мощ-
ность холодильной машины с помощью изменения частоты оборо-
тов двигателя.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Перечислите общепромышленные механизмы непрерывного
действия.
2. Перечислите установки сжатого воздуха.
3. Расскажите о типах вентиляторов, компрессоров.
4. Перечислите устройства различных насосов.
5. Расскажите о принципе действия и конструкции манометра.
6. Расскажите об устройствах автоматизации насосных установок,
реле.
7. Расскажите о принципе действия и устройстве винтового ком-
прессора.
8. Расскажите о принципах действия насосов, вентиляторов, ком-
прессоров.
9. Объясните принцип действия установок сжатого воздуха. Какова
область их применения?
Глава 8
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ПОДЪЕМНО- И ПОТОЧНО-
ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
8.1.
МОСТОВЫЕ КРАНЫ
Краны — это грузоподъемные устройства для вертикального
и горизонтального перемещения грузов на небольшие расстояния.
В цехах предприятий наибольшее распространение получили мо-
стовые краны. Однотипными узлами всех кранов являются:
Рис. 8.1. Кинематическая схема
механизма передвижения:
7 — двигатель; 2 — тормоз; 3 — редук-
тор; 4 — ходовые колеса; 5 ~ рельсы
Рис. 8.2. Кинематическая схема
механизма подъема:
7 — двигатель; 2 — тормоз; 3 — редуктор;
4 — барабан; 5 — полиспаст; 6 — крюк
255
механизм передвижения моста;
механизм передвижения тележки;
механизм подъема и опускания груза.
Передвижение моста (несущей конструкции) осуществляется
по рельсам подкранового пути, вдоль пролета цеха. Кинематическая
схема механизма передвижения представлена на рис. 8.1. Главные
балки — коробчатого сечения или в виде решетчатых ферм. При-
вод колесной пары — электродвигателем 1 с электромагнитным
тормозом 2 через редуктор 3. Колеса 4 передвигаются по рельсам 5.
На тележке установлена лебедка подъемная для груза.
Механизм подъема представляет подъемную лебедку барабан-
ного типа (рис. 8.2).
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ
ПОТОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
8.2.
К механизмам непрерывного транспорта относятся конвейеры,
элеваторы, эскалаторы, канатные и монорельсовые дороги. Боль-
шое распространение в поточном производстве получили поточно-
транспортные системы (ПТС).
Поточно-транспортной системой называется комплекс меха-
низмов и сооружений, предназначенных для транспортирования
материалов, деталей и узлов машин в едином поточном технологи-
ческом процессе, В связи с развитием механизации и автоматиза-
ции производственных процессов все большее количество цехов
и предприятий переходит на автоматизированные системы ПТС
(например, завод автомобильных поршней, цехи для производства
шариковых подшипников и др.).
В ПТС могут входить несколько видов механизмов непрерыв-
ного транспорта: конвейеры, пневматический или гидравлический
транспорт, где перемещение грузов происходит в контейнерах или
непосредственно в самой несущей среде (воде, воздухе) под дей-
ствием давления.
Электропривод таких устройств работает обычно в длительном
режиме с равномерной нагрузкой, редкими пусками и остановка-
ми. Регулирование скорости требуется редко и в небольших преде-
лах. Конвейеры часто работают в запыленных условиях, влажных
помещениях или на открытом воздухе. Пониженная температура
окружающей среды способствует загустению смазки, поэтому пуск
двигателя происходит в тяжелых условиях. Приходится учитывать
еще и то, что на ленте могут находиться какие-то грузы. Поэтому
256
двигатели должны иметь повышенный пусковой момент, высокую
надежность, простоту обслуживания.
Чаще всего применяют асинхронные двигатели как наиболее на-
дежные и имеющие жесткую механическую характеристику. Для
маломощных конвейеров используют асинхронные двигатели с глубо-
ким пазом или двойной беличьей клеткой, имеющие большой пуско-
вой момент. Если же конвейер имеет большую длину и нагрузка вели-
ка, то применяют асинхронные двигатели с фазным ротором. Они по-
зволяют производить плавный пуск и регулировать скорость, что осо-
бенно важно, если конвейер входит в поточно-транспортную систему.
У конвейеров большой длины (сотни метров) нагрузка на ленту
получается недопустимо большой. В этом случае устанавливают не-
сколько приводных двигателей, размещенных по длине конвейера.
Одинаковая скорость их приобретает особое значение, поэтому
применяют схемы синхронного вращения асинхронных двигатели
или используют синхронные двигатели.
Поточно-транспортные системы применяются в ряде отраслей про-
мышленности: химической, металлургической, строительных матери-
алов и др. Оборудование ПТС состоит из транспортирующих механиз-
мов, перегрузочных устройств, механизмов основной технологии.
К транспортирующим механизмам относятся различные кон-
вейеры (транспортеры): ленточные, пластинчатые, скребковые,
ковшовые, винтовые, а также устройства пневматического и ги-
дравлического транспорта.
В ленточных транспортерах лента из прорезиненной хлопчато-
бумажной ткани или тонкая стальная лента натянута между двумя
барабанами, из которых один вращается приводным двигателем,
а другой служит для натяжения ленты.
В пластинчатых транспортерах лента выполняется из полотен
с отдельными пластинами.
В скребковом транспортере, представляющем собой желоб, дви-
жутся скребки, связанные цепями, которые захватывают загружае-
мый в желоб материал.
В ковшовом транспортере (элеваторе) система ковшей, укреплен-
ных на бесконечной ленте или цепи, перемещается вертикально —
вокруг двух вращающихся барабанов. Материал поступает в баш-
мак, размещенный под нижним барабаном, и зачерпывается про-
ходящими ковшами. При верхнем положении ковш опорожняется
и перегрузочным устройством направляется к месту назначения.
В винтовом транспортере (шнеке), выполняемом из прямоуголь-
Fioro желоба или трубы, вращается винт, который проталкивает за-
гружаемый материал.
257
Рис. 8.3. Перегрузочные устройства конвейеров:
а — передвижная сбрасывающая тележка; б — плужклвый сбрасыватель; в — пере-
кидной клапан
В устройствах пневматического и гидравлического транспор-
та перемещение материалов, в основном сыпучих, производится
в трубопроводах под давлением воздуха, газов или воды с после-
дующей их очисткой в специальных устройствах. Перегрузочные
устройства выполняются в виде передвижных сбрасывающих теле-
жек, плужковых сбрасывателей и различных перекидных клапанов,
задвижек, затворов (рис. 8.3).
Передвижная сбрасывающая тележка (рис. 8.3, а), оборудо-
ванная двумя барабанами с электроприводом, подается в любое ме-
сто конвейера, расположенного над бункерами, куда должен быть
разгружен материал. Когда усилием тележки лента, огибающая
верхний барабан тележки, отклоняется вниз, материал, теряя опо-
ру, падает в разгрузочную воронку и далее подается в бункер.
Плужковый сбрасыватель (рис. 8.3, б) представляет собой метал-
лический щит (плужок), опускаемый на ленту транспортера в опреде-
ленных местах, задерживающий там и ссыпающий материал с ленты.
Перекладной клапан (рис. 8.3, в) представляет собой металли-
ческую перегородку, с помощью которой материал получает опре-
деленное направление.
Плужковые сбрасыватели, перекидные клапаны и другие виды
затворов обычно имеют электродвигательные, электромагнитные
и электропневматические приводы. Последние производят пере-
мещение этих устройств влево или вправо (в зависимости от того,
в какую часть цилиндра подается сжатый воздух при срабатывании
электромагнитов управления).
МЕХАНИЗМЫ ОСНОВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
8.3.
Механизмы основной технологии включают в себя дробилки раз-
ных типов и назначений, а также шаровые мельницы, мешалки, доза-
торы, сита, датчики.
258
Шаровые мельницы представляют собой цилиндрические ба-
рабаны, наполненные шарами. Измельчение материала происходит
за счет ударов перекатывающихся шаров и раздавливания материала
между шарами и внутренней поверхностью мельниц.
Мешалки представляют собой смесительный барабан с рото-
ром, предназначенный для смешивания различных материалов.
Дозаторы предназначены для дозирования материалов в соот-
ветствии с заданной технологией или при изменении режима тех-
нологического процесса.
Сита служат для разделения различных сыпучих материалов
по из величине. Они выполняются плоскими качающимися и бара-
банными вращающимися.
Датчики различных типов и назначений устанавливаются для
контроля состояния технологического процесса и его параметров
(уровень, давление, температура и др.).
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
ПОТОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
И ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМАМ
УПРАВЛЕНИЯ ПТС
8.4.
К системам управления ПТС предъявляются определенные тех-
нологические и электротехнические требования, выполняемые
при помощи технических и электрических блокировок. Технологи-
ческие требования выполняются при наличии в схеме управления
ПТС следующих устройств и блокировочных зависимостей:
1) диспетчерский пункт оборудуется аппаратурой управления,
контроля, мнемонической схемой технологического процесса;
2) пуск механизмов осуществляется диспетчером после получе-
ния обслуживающим персоналом механизмов предупредительного
сигнала, снимаемого после окончания пуска;
3) пуск механизмов производится в направлении, обратном тех-
нологическому процессу. Остановка любого механизма должна со-
провождаться автоматической остановкой всех предшествующих
по технологическому потоку механизмов. Указанные условия ис-
ключают появление завалов транспортируемых материалов;
4) у рабочих механизмов устанавливаются выключатели для их
отключения при несчастных случаях, авариях и др.;
5) на наклонных конвейерах предусматривается автоматическое
включение тормоза для устранения движения ленты под действием
веса материала;
259
6) вспомогательные приводы механизмов (вентиляторы, смазка
и др,) включаются перед пуском главных приводов;
7) дозирующие устройства автоматически отключают механиз-
мы при прекращении или изменении установленного режима по-
дачи компонентов смеси;
8) механизмы с тяжелым пуском (дробилки и др.) должны иметь
блокировку, разрешающую их повторное включение после предва-
рительной остановки всех предшествующих по технологическому
процессу машин.
8.5.
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Электротехнические требования выполняются при наличии
в схеме управления ПТС следующих блокировочных зависимостей
и устройств:
1) контроль за наличием напряжения, осуществляемый реле на-
пряжения, контакты которого введены в схему контроля заполнения
бункеров (этим исключается завал при исчезновении напряжения);
2) контроль за обрывом цепей в катушках пускателей, размы-
кающие контакты которых введены в цепь реле ввода резервных
механизмов. Этим обеспечивается ввод резерва (АВР) даже при
обесточении указанных катушек при обрыве;
3) предотвращение последствий замыкания на землю проводов
цепи управления, что может вызвать ложное срабатывание аппа-
ратов и включение механизмов. Это достигается подключением
одного из зажимов пускорегулирующих аппаратов (реле, пускате-
лей и др.) к нулевому проводу цепи управления. При этом условии
замыкание на землю фазного провода вызовет только обесточение
катушек пускателей и реле, что исключает произвольное включе-
ние механизмов;
4) при коротких замыканиях в цепи управления аппараты защи-
ты должны исключать самопроизвольный пуск механизмов;
5) должна быть предусмотрена нулевая защита, что исключает
самозапуск двигателей после их остановки и подачи напряжения.
Повторный пуск механизмов производится только оператором.
Перечисленные технологические и электротехнические тре-
бования являются основой при построении схем управления по-
точно-транспортными системами. Указанные схемы выполняются
с местным, местным сблокированным, диспетчерским централизо-
ванным, диспетчерским автоматизированным и автоматическим
управлениями.
260
Местным управлением называется управление механизмом
у места его установки без наличия блокировок с другими механиз-
мами. Схема управления в этом случае представляет собой обыч-
ную схему одиночного привода с пусковой и защитной аппарату-
рой в виде автомата и пускателя, катушка которого включена на ли-
нейное напряжение сети или на пониженное напряжение через
трансформатор управления.
Местным сблокированным управлением называется управление
несколькими механизмами, связанными между собой блокировоч-
ными связями в соответствии с технологическим процессом. Управ-
ление осуществляется оператором у места установки механизмов
с возможностью перевода управления при помощи переключателя
на местное при ремонтных и наладочных работах.
Диспетчерским централизованным управлением (ДЦУ) назы-
вается управление и контроль за механизмами из диспетчерско-
го пункта. Указанное управление применяется для сложных ПТС
с разветвленной технологической схемой и мало изменяющимся
режимом работы механизмов. Эти схемы управления в основном
аналогичны схемам с местным сблокированным управлением с за-
меной оператора диспетчером.
Диспетчерским автоматизированным управлением (ДАУ) назы-
ваются управление и контроль за механизмами из диспетчерского
пункта с применением средств автоматики.
Автоматическим управлением называются управление и кон-
троль за работой механизмов только средствами автоматики, но под
общим наблюдением диспетчера. Такое управление применяется
для механизмов и устройств, требующих частых и быстрых пере-
ключений при быстро изменяющихся технологических режимах,
контролируемых различными датчиками и дозаторами.
Применение диспетчерского централизованного и диспетчер-
ского автоматизированного управления обычно сочетается с воз-
можностью перевода схемы на местное и сблокированное управле-
ние, что диктуется режимом работы механизмов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ И ВЫБОР
ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИВОДОВ МЕХАНИЗМОВ
ПОТОЧНО-ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
8.6.
Механизмы поточно-транспортных систем имеют, как правило,
большой пусковой момент, поэтому в качестве привода к ним сле-
дует выбирать короткозамкнутый асинхронный двигатель с повы-
261
шенным пусковым моментом. Конструктивное выполнение дви-
гателя (защищенный, закрытый, взрывобезопасный и др.) должно
определяться условиями окружающей среды и расположением
электрооборудования на механизме.
При выборе двигателя необходимо учитывать следующее.
Пуск ЭД производится в направлении, обратном технологи-
ческому потоку (ЭД головного конвейера — первым, принимаю-
щего — последним), что исключает возможность образования за-
валов транспортируемого груза. Остановка одного конвейера вы-
зывает отключение всех следующих за ним (подающих материал),
а остальные могут’ работать. Полная остановка поточной линии
большой производительности начинается с отключения конвейера,
подающего материал на другие конвейеры. Остальные отключают-
ся поочередно. Пуск двигателей большой мощности производится
поочередно, что исключает большие провалы напряжения в сети.
Должна быть возможность пуска и остановки любого конвейера,
независимо от других, для опробования и наладки. Обычно «пуск»
и «стоп» при наладке — с местного поста.
При неисправностях (соскальзывание ленты) отключается дви-
гатель ведомого барабана по сигналу реле контроля скорости (РКС).
РКС контролирует скорость ведомого барабана, который вращает-
ся от транспортирующей ленты непосредственно. Электрические
блокировки последовательного пуска и остановки ЭД, запрета вы-
полнения операций в нежелательной последовательности выполня-
ются контактами пускателей, реле, переключателей и других аппа-
ратов.
Сигнализация предназначена для контроля состояния механиз-
мов (двигателей), оповещения о нормальных и аварийных режимах,
указания места и причины неисправности. Звуковая сигнализация
применяется для предупреждения персонала при пуске и останов-
ке механизмов, особенно если они удалены от объединенного дис-
петчерского пульта (ОДП).
Световая сигнализация отображает на мнемосхеме режим рабо-
ты и положение арматуры, соответствие положения органов управ-
ления состоянию объекта. Аварийная и предупредительная сигна-
лизации различаются по цвету (например, красный и желтый) и то-
нальности (например, ревун и звонок).
Принцип построения узла предупредительной сигнализации
представлен на рис. 8.4. Перед пуском конвейеров оператор ОДП
оповещает обслуживающий персонал на рабочем месте подачей
звукового сигнала, который включается нажатием кнопки (Кн.Зв).
Ответные сигналы с рабочих мест о готовности механизмов к рабо-
262
Рис. 8.4. Принципиальная электрическая схема узла сигнализации для
двух конвейеров:
ОДП — объединенный диспетчерский пульт; МП — местный пульт
Конвейер 3 — подающий
Рис. 8.5. Технологическая схема управления поточно-транспортной си-
стемой:
Б1, Б2 — бункеры-распределители: ДП1, ДП2 — датчики переполнения
263
те подаются с помощью сигнальных ламп ЛС1 и ЛС2 «готов», уста-
новленных на ОДП и включаемых нажатием кнопок оповещения
«Кн.О1» и «Кн.О2». Реле оповещения (РО1 и РО2) срабатывают, со-
бираются цепи ЛС1 и ЛС2, и они засвечиваются. После пуска кон-
вейеров лампы КЛ1 и КЛ2 гаснут. При управлении транспортирую-
щими механизмами ПТС блокировки применяются не только для
конвейеров, но и для обслуживающих устройств.
Типичным примером может быть блокировка работы конвейе-
ров с положением шибера (перекидной заслонки), направляюще-
го поток насыпного груза в одну или в другую сторону (рис. 8.5).
Транспортируемый материал с подающего конвейера 3 попадает
в бункер-распределитель Б, в который вмонтирован шибер. Раз-
дача материала возможна по двум рукавам (влево или вправо), вы-
бор которого определяется положением шибера, т. е. открытием
или закрытием отверстия рукава. На рис. 8.5 показаны перекрытие
правого рукава и поступление материала через левый рукав на раз-
даточный конвейер 1 и далее в бункер Б1.
Во избежание завала бункеров материалом или длительного хо-
лостого хода конвейеров следует применить блокировки: по поло-
жению шибера — пуск конвейеров 1 и 3 одновременно возможен
при открытом левом рукаве (замкнут ВКШ1), а конвейеров 2 и 3 —
при открытом правом рукаве (замкнут ВКШ2).
Остановка конвейеров происходит при переполнении бункеров
(датчики переполнения ДП1 или ДП2), остановке конвейеров при
длительной работе на холостом ходу (реле времени, ограничиваю-
щие холостой ход; РВХ1 и РВХ2).
Примечание. Все контакты датчиков (ДП), реле (РВ) и положения
(ВКШ) введены в электрическую схему управления.
Мнемоническая схема на ОДП (рис. 8.6) предназначена для ото-
бражения информации о состоянии механизмов и арматуры. Участ-
ки мнемосхемы засвечены, если механизм работает (ЛСК1, ЛСКЗ)
или открыт шибер (ЛСШ1), а остальные погашены.
Принципиальная электрическая схема управления поточно-
транспортной системой (рис. 8.7) предназначена для управления,
защиты и блокировок конвейера.
Основные элементы схемы: ДЗ — приводной ЭД подающего кон-
вейера 3; КЛЗ — контактор линейный для подключения к сети ДЗ;
ВКШ — выключатель конечный шибера путевой; РВХ — контакт
реле времени холостого хода для ограничения работы на холостом
ходу; ДП — контакт датчика переполнения бункера; ПУ — переклю-
чатель управления для выбора режима работы (Н —наладка; А —
264
ОДП
Рис. 8.6. Мнемоническая схема управления поточно-транспортной си-
стемой
автоматическое); Кн.П, Кн.С — кнопки «Пуск» и «Стоп». Режим
управления автоматический — по сигналам датчиков и состоянию
механизмов и устройств. Наладка (ручное управление) осуществля-
ется от кнопок (Кн.П, Кн.С).
Рассмотрим работу схемы.
Рис. 8.7. Принципиальная электрическая схема управления поточно-
транспортной системой
265
Исходное состояние. Работает конвейер 1 (КЛ1), открыт левый
рукав (ВКШ1). ПУ — А, подано питание на схему (ВАЗ Т).
На мнемосхеме засвечены участки с ЛСК1 и ЛСШ1 (см.
рис. 8.6);
Пуск. Кн.ПЗ Ti — собирается цепь КЛЗ.
клз Т — подключается к сети ДЗ (КЛЗ: 1 ...3); становится на са-
мопитание (КЛЗ:4);
ДЗ пускается и выходит на естественную характеристику.
В работе конвейеры 1 и 3 на бункер Б1 через левый рукав.
На мнемосхеме засвечены участки ЛСК1, ЛСШ1, ЛСКЗ (см.
рис. 8.6).
Остановка. От «Кн.СЗ», при срабатывании защиты (BA, РТЗ,
Пр.З), при остановке конвейера 1 (КЛ1) или по сигналам РВХ1,
ДП1.
Защита:
от токов КЗ — силовая сеть (ВА); цепи управления (Пр.З);
от перегрузки ДЗ — реле тепловое РТЗ (блок на два реле),
Блокировки:
при остановке раздаточного конвейера (КЛ1, КЛ2);
длительном холостом ходе (РВХ1, РВХ2);
переполнении бункера (ДП1, ДП2).
Питание:
3 — 380 В, 50 Гц — силовая цепь;
1 — 220 В, 50 Гц — цепи управления.
При проектировании технологических линий дозирования и по-
дачи сыпучих материалов предусматривают различное технологи-
ческое транспортное оборудование, объединенное в единую поточ-
но-транспортную систему технологического производства.
Создаются поточно-транспортные системы периодического
и непрерывного действия. Поточно-транспортные системы перио-
дического действия представляют собой комплекс подготовитель-
ного, дозировочного и транспортного оборудования, обеспечиваю-
щий циклическую загрузку шихтовыми материалами металлурги-
ческих агрегатов. В ПТС периодического действия входят механиз-
мы периодического действия (вагоны, вагонетки, краны, монорель-
совые тележки, передвижные подъемники и др.). В рабочий цикл
механизмов периодического действия входят погрузка, рабочий
ход, разгрузка и холостой ход.
Поточпо-транспортные системы непрерывного действия
представляют собой комплекс подготовительного, дозировочного
и транспортного оборудования, обеспечивающий непрерывную
загрузку шихтовыми материалами металлургических агрегатов.
266
Механизмы непрерывного действия перемещают шихтовые ма-
териалы по определенной трассе без остановок (например, система
подачи сыпучих материалов) в расходные бункера конвертерного
отделения с помощью конвейеров, элеваторов, виброжелобов и др,
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение поточно-транспортной системы.
2. Какие транспортирующие механизмы входят в состав ПТС?
3. Какое оборудование входит в состав перегрузочных устройств?
4. Назовите оборудование механизмов основной технологии.
5. Перечислите технологические требования к системам управле-
ния ПТС.
6. С какой целью проверяются электротехнические требования
в системе ПТС?
7. Расскажите об электрооборудовании ПТС, типе двигателя, режи-
ме его работы.
8. Чем отличаются ПТС непрерывного и периодического дей-
ствий?
РАЗДЕЛ
ТЕХНИЧЕСКОЕ
РЕГУЛИРОВАНИЕ
И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 9. Эксплуатация, обслуживание и ремонт
электрического и электромеханического
оборудования
Глава 10. Оценка качества продукции и роль
стандартизации в повышении качества
Глава 11. Принципы технического регулирования.
Законодательство о техническом
регулировании. Технические регламенты
Глава 12. Погрешности, средства и методы измерений.
Выбор средств измерений. Контроль
качества электрического
и электромеханического оборудования
Глава 9
ЭКСПЛУАТАЦИЯ, ОБСЛУЖИВАНИЕ
И РЕМОНТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
9.1.
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МОНТАЖА,
ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТА
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Эксплуатация оборудования начинается с момента его выхода
с территории завода-изготовителя и заканчивается сдачей его в пе-
реработку на вторичные материалы на предприятие по утилизации
промышленных отходов.
Таким образом, процесс эксплуатации состоит из следующих
этапов:
транспортирование оборудования;
хранение оборудования;
монтаж оборудования;
пробный пуск и сдача в эксплуатацию;
техническое обслуживание (ТО) оборудования;
ремонты в процессе ТО.
После очередного ремонта оборудование вновь поступает
на монтаж или на склад в целях последующей замены выводимого
в ремонт оборудования.
Основная цель правильной эксплуатации заключается в обе-
спечении требуемого уровня надежности работы электрического
и электромеханического оборудования в течение установленного
срока службы с наилучшими технико-экономическими показате-
лями.
Наиболее важным показателем является уменьшение потерь
энергии или увеличение КПД оборудования.
269
9.2.
ТРАНСПОРТИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ
С завода-изготовителя оборудование, как правило, поступает за-
казчику в упаковке, предохраняющей его от воздействия окружаю-
щей среды в процессе транспортирования и хранения. Существуют
четыре основные группы помещений (складов) для его хранения:
1) группа Л (легкие условия) — обеспечиваются достаточно ком-
фортные условия хранения оборудования;
2) группа С — обеспечиваются хорошие условия хранения;
3) группа Ж — обеспечиваются достаточно жесткие условия
хранения;
4) группа ОЖ — обеспечиваются особо жесткие условия хране-
ния оборудования.
В инструкциях завода-изготовителя указываются допустимые
условия и предельный срок хранения оборудования, при которых
не нарушается его работоспособность. Поэтому перед приемкой
на хранение следует убедиться в сохранности упаковки (консер-
вации) и в случае необходимости восстановить ее, а также прове-
рить комплектность поступившего оборудования и соответствие
условий его храпения требованиям завода-изготовителя. Наруше-
ние условий хранения может привести к повреждению отдельных
элементов оборудования, связанному с коррозией металлических
деталей, окислением контактных поверхностей и др. Естественно,
допускается изменение условий хранения на более легкие по срав-
нению с предусмотренными заводом-изготовителем.
Электрические машины на период транспортирования и хране-
ния консервируют для защиты от коррозии. Консервации подвер-
гаются поверхности изделий из черных и цветных металлов, а так-
же резьбовые и штифтовые отверстия, из которых вынуты болты
и штифты. В зависимости от материала и конфигурации защищае-
мых поверхностей для консервации могут применяться пластич-
ные и жидкие смазки, легкоснимаемые лакокрасочные покрытия,
парафинированные бумаги, синтетические пленки и др.
Масляные трансформаторы и маслонаполненные электриче-
ские аппараты отправляются заводом-изготовителем полностью
собранными и залитыми маслом. Крупные высоковольтные транс-
форматоры отправляются частично демонтированными (без рас-
ширителя и высоковольтных вводов), залитыми маслом ниже крыш-
ки. Надмасляное пространство внутри бака заполняется инертным
газом или сухим воздухом.
270
Масляные трансформаторы, а также демонтированные на время
транспортирования крупные узлы и детали (расширитель, выхлоп-
ная труба, маслоочистительные и термосифонные фильтры ит,п.)
транспортируются без упаковки на открытых железнодорожных
платформах. Они должны быть надежно защищены от попадания
влаги на всех этапах вплоть до монтажа па месте установки. Вводы
напряжением до 35 кВ, комплектующая аппаратура и приборы, си-
стема охлаждения, крепежные изделия и запасные части отправля-
ются упакованными вместе с трансформатором.
Сухие трансформаторы и электрические аппараты транспорти-
руются в собственной упаковке, гарантирующей их сохранность
от механических повреждений и непосредственного воздействия
влаги при транспортировании и хранении. После доставки масля-
ного трансформатора к месту хранения (но не более чем через 10
дней) проверяют состояние изоляции трансформатора и проводят
его подготовку к монтажу или длительному храпению. При дли-
тельном нахождении активной части трансформатора без масла со-
стояние изоляции ухудшается, а восстановление ее характеристик
требует значительного времени и материальных затрат.
У трансформаторов, не полностью залитых маслом, проверяют-
ся герметичность надмасляного пространства, пробивное напря-
жение, tgS и содержание влаги в масле, а также параметры масла
в баке контактора устройства регулирования напряжения под на-
грузкой. При отсутствии избыточного давления или вакуума бак
проверяется на герметичность; при необходимости герметичность
восстанавливается, Если при проверках выявляются отклонения
от норм, то принимаются меры по устранению причин, приведших
к ухудшению состояния изоляции и ускорению монтажа трансфор-
матора.
Сроки хранения оборудования должны быть сведены к миниму-
му, поскольку время хранения входит в гарантийный срок и увели-
чивает стоимость оборудования. Идеальным вариантом является
монтаж «с колес», при котором оборудование поступает с завода-
изготовителя прямо на монтажную площадку, минуя стадию хра-
нения.
9.3.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
ОБОРУДОВАНИЯ
Конструктивное исполнение оборудования определяется тремя
факторами: способом защиты от воздействия окружающей среды,
271
способом охлаждения и способом монтажа. Выбор способа защиты
от воздействия окружающей среды зависит от места установки обо-
рудования и свойств окружающей среды. Стандартом установлено
10 вариантов климатических исполнений и пять категорий разме-
щения оборудования.
Помимо климатических факторов существенное влияние на ра-
боту оборудования оказывают и характеристики окружающей сре-
ды, которые условно подразделяются на следующие категории:
я категория размещения 1 предусматривает эксплуатацию обору-
дования на открытом воздухе;
категория размещения 2 предусматривает эксплуатацию под на-
весом, при которой отсутствует прямое воздействие осадков
и солнечной радиации;
категория размещения 3 предусматривает эксплуатацию в за-
крытых помещениях, в которых воздействие песка, пыли и коле-
баний температуры и влажности существенно меньше, чем
на открытом воздухе;
категория размещения 4 предусматривает работу оборудования
в помещениях с искусственно регулируемыми климатическими
условиями (кондиционирование воздуха);
категория размещения 5 предусматривает эксплуатацию в поме-
щениях с повышенной влажностью, в которых возможно дли-
тельное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах
и потолке.
Корпус электрической машины, кожух или бак трансформатора
и электрического аппарата образуют оболочку, обеспечивающую
защиту внутреннего объема электротехнического оборудования
от попадания внутрь твердых предметов и влаги, а также защиту
персонала от соприкосновения с токоведущими и вращающимися
частями, расположенными внутри оболочки.
Степень защиты обозначается латинскими буквами IP и двумя
цифрами. Первая цифра характеризует степень защиты персона-
ла от соприкосновения с токоведущими или подвижными частями,
находящимися внутри корпуса (бака), вторая — степень защиты
от проникновения влаги внутрь корпуса.
Первая цифра 0 означает, что специальная защита отсутствует;
цифра 1 — защита от проникновения твердых тел размером более
50 мм; цифра 2 — защита от проникновения твердых тел размером
более 12мм;цифраЗ — защита от твердых тел размером более 1 мм;
цифра 4 — защита от попадания внутрь проволоки или твердых тел
размером более 1 мм; цифра 5 — ограничено попадание пыли; циф-
ра 6 — проникновение пыли полностью предотвращено.
272
Вторая цифра 0 означает, что защита от проникновения влаги
отсутствует; цифра 1 — имеется защита от вертикально падающих
капель воды; цифра 2 — защита от капель воды при наклоне корпу-
са до 15° ит.д.
Отдельно нормируются степени защиты оборудования, располо-
женного во взрывоопасных и пожароопасных зонах. Конструктив-
ное исполнение электрических машин по способу монтажа также
оговорено в ГОСТ.
9.4.
ВИДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Техническое обслуживание включает в себя регулярные осмотры
электрического и электромеханического оборудования и технические
мероприятия в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя,
проводимые по специальным графику и программе. В состав ТО так-
же входят ремонты оборудования, различающиеся по своему объему.
Электрическое и электромеханическое оборудование по функци-
ональному назначению подразделяются на основное и вспомогатель-
ное. К основному относится оборудование, без которого невозмож-
но проведение нормального технологического процесса по выпуску
продукции. К вспомогательному относится электрическое и элек-
тромеханическое оборудование, служащее для улучшения условий
труда и повышения его производительности, а также для соблюде-
ния экологических или других нормативов производства. Его отказ
не приводит к перерывам в основном технологическом процессе.
Основная цель ТО заключается в обеспечении надежной рабо-
ты, исключающей поломки и отказы электрического и электроме-
ханического оборудования. Однако эти аварии могут происходить
не только по причине плохой эксплуатации, но и вследствие наруше-
ния стандартов качества электрической энергии. Аварии и отказы
приводят к материальным и экономическим ущербам на производ-
стве, поэтому выявление причин отказов и аварий также является
задачей эксплуатации. Для этого необходимо проводить мониторинг
качества электроэнергии, чтобы энергосберегающие компании
несли свою долю ответственности за нарушение условий договора
энергоснабжения. В настоящее время существуют три вида ТО:
1) практически без обслуживания («не трогай, пока не сломает-
ся»);
2) планово-предупредительная система обслуживания и ремон-
тов (ППР);
3) обслуживание с ремонтами по мере необходимости.
273
Первый вид ТО встречается применительно к вспомогательному
электрооборудованию типа освещения и электронагревательных
устройств.
Второй вид ТО применяется для основного и большей части
вспомогательного оборудования. ППР предусматривает плановые
(по графику) осмотры и ремонты электрического и электромехани-
ческого оборудования. Функции контроля за отклонением режим-
ных параметров от расчетных возлагаются на системы защиты обо-
рудования.
Третий вид ТО обеспечивает необходимый уровень надежности
работы оборудования при минимальной стоимости обслуживания.
Применение этого вида ТО требует мониторинга режимов работы
электрического и электромеханического оборудования, а также
контроля условий окружающей среды. Мониторинг осуществляет-
ся с помощью системы датчиков, сигналы от которых передаются
на микропроцессоры и далее, на пункт управления. Последняя с по-
мощью математических моделей надежности обрабатывает полу-
ченную информацию и выдает данные по уровню надежности и не-
обходимости ремонта оборудования.
К достоинствам третьего вида ТО относится выведение из экс-
плуатации только того оборудования, ремонт которого объективно
необходим. В первую очередь, этот вид ТО применяется для наибо-
лее ответственного и дорогостоящего оборудования.
ВИДЫ И ПРИЧИНЫ
ИЗНОСОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
9.5.
В процессе эксплуатации происходит износ электрического
и электромеханического оборудования. По характеру физических
процессов, лежащих в его основе, выделяют три вида износа: меха-
нический, электрический и моральный.
Механический износ является следствием длительных и много-
кратных знакопостоянных или знакопеременных механических
воздействий на отдельные узлы и детали оборудования. В результа-
те этих воздействий их первоначальные форма и качество ухудша-
ются. Так, в электрических машинах подвержены износу трущиеся
детали (коллектор, контактные кольца, щетки, подшипники, шейки
валов), а в электрических аппаратах — контактные поверхности,
пружины и др.
274
Под влиянием перечисленных воздействий истирается изоляция
в местах выхода проводников обмотки из пазов электрических ма-
шин, смежных витков обмоток трансформаторов и электрических
аппаратов. Абразивное истирание узлов и деталей оборудования
происходит под влиянием твердых частиц (пыли), содержащихся
в окружающей атмосфере.
Электрический износ приводит к невосстанавливаемой по-
тере электроизоляционными материалами своих изоляционных
свойств, Износ изоляции происходит под воздействием четырех
основных факторов: тепловых, электрических, механических,
а также окружающей среды. С повышением температуры умень-
шаются механическая прочность твердой изоляции и коэффициент
теплопередачи; при тепловом расширении изоляции ослабляется
ее структура, возникают внутренние термомеханические напряже-
ния, которые особенно велики в жестко связанных изоляционных
системах со значительно отличающимися коэффициентами тепло-
вого расширения.
В процессе износа в изоляции могут накапливаться продукты ее
распада, приводящие к появлению газовых пузырей и проводящих
примесей, которые снижают ее пробивное напряжение. Тепловое
воздействие делает твердую изоляцию уязвимой для механических
воздействий.
Электрические воздействия на изоляцию определяются уровнем
напряжения оборудования. Наибольшее влияние на износ оказы-
вают коммутационные и атмосферные перенапряжения, которые
приводят к резко неравномерному распределению напряжения
вдоль катушки (обмотки) и могут вызвать ее пробой. Неравномер-
ное распределение напряжения характерно и для обмоток электри-
ческих машин, питаемых от преобразователей частоты с широтно-
импульсной модуляцией. Условия работы изоляции ухудшаются
вследствие атмосферных воздействий, в частности влаги и вредных
химических примесей, содержащихся в окружающем воздухе. На-
личие влаги в изоляции может существенно уменьшить механиче-
скую прочность твердой изоляции, усилить процессы ионизации,
ускорить ее химическое старение.
Механические воздействия появляются из-за вибрации оборудо-
вания; протекания переменных токов по его обмоткам, приводящим
к возникновению знакопеременных электродинамических усилий;
центробежных сил в подвижных и вращающихся частях. Механи-
ческие усилия, действующие на твердую изоляцию в аварийных ре-
жимах (как правило, в режимах короткого замыкания), могут в сот-
ни раз превышать усилия, действующие в нормальных режимах.
275
В результате может происходить пробой изоляции, а на частях обо-
рудования, не находящихся в нормальных условиях под напряже-
нием, могут появляться высокие электрические потенциалы. Устра-
нение этого вида износа обычно требует капитального ремонта
электрического и электромеханического оборудования.
Моральный износ обусловлен появлением в эксплуатации но-
вого оборудования, характеризующегося более высокими тех-
нико-экономическими показателями (большие КПД, производи-
тельность, меньшая стоимость, более высокая надежность работы
и т.д.). В этих условиях дальнейшее использование устаревшего
оборудования является нецелесообразным из-за повышенных из-
держек, приводящих к более высокой стоимости готовой продук-
ции по сравнению со стоимостью аналогичной продукции, произ-
веденной на новом, технически более совершенном оборудовании.
Только изменением конструкции и улучшением технических по-
казателей действующего оборудования при капитальном ремонте
в процессе модернизации можно продлить сроки его экономически
оправданной эксплуатации.
Приведенная классификация износов электрического и элек-
тромеханического оборудования является условной, так как все три
вида износа нельзя рассматривать в отрыве друг от друга. Напри-
мер, на механический износ токоведущих частей сильное влияние
оказывают плотность тока, температура и влажность окружающей
среды; на электрический износ изоляции сильное влияние оказы-
вают механические факторы (вибрация, термомеханические уси-
лия, абразивный износ). На ухудшение технических характеристик
оборудования и, следовательно, на его моральный износ оказывает
влияние степень его механического и электрического износа.
Раздельный анализ видов износа электрического и электромеха-
нического оборудования позволяет более полно выявить физиче-
ские факторы, лежащие в основе этих процессов, выработать меры
по ослаблению их влияния на работу оборудования.
КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК,
ЭЛЕКТРОПОМЕЩЕНИЙ
И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
9.6.
Все помещения в зависимости от их назначения, температуры
воздуха в них, выполняемых в них работ и других признаков, а так-
же все электроустановки подразделяются па несколько категорий.
276
Электроустановками называются установки, в которых произ-
водится, преобразуется, распределяется и потребляется электриче-
ская энергия. Электроустановки подразделяются на электроуста-
новки напряжением до 1 000 В и выше 1 000 В,
Электроустановки могут быть открытыми или наружными, на-
ходящимися на открытом воздухе. Установки, защищенные только
навесами или сетчатыми ограждениями, рассматриваются как от-
крытые.
Электроустановки могут быть закрытыми или внутренними, на-
ходящимися в помещении. Электропомещения — помещения или
части их (огражденные, например, сетками), доступные только для
обслуживающего персонала, в которых установлено находящееся
в эксплуатации электрооборудование, предназначенное для произ-
водства, преобразования или распределения электроэнергии.
Помещения считаются сухими, если относительная влажность
воздуха в них не превышает 60 %.
Помещения считаются влажными, если пары или конденсиру-
ющаяся влага выделяются в них временно и в небольших количе-
ствах (например, неотапливаемые лестничные клетки жилых до-
мов и т. п.). Относительная влажность воздуха в таких помещениях
не превышает 75 %
Помещения считаются сырыми, если относительная влажность
воздуха в них длительно превышает 75 %.
Помещения считаются особо сырыми, если относительная влаж-
ность воздуха у них близка к 100 %; потолок, стены и предметы, на-
ходящиеся в таких помещениях, постоянно покрыты влагой.
Пыльные помещения — помещения, в которых по условиям про-
изводства выделяется технологическая пыль в таком количестве,
что она может оседать на проводах, проникать в кожухи электроо-
борудования и т.п.
В зависимости от того, является ли вещество пылепроводящим
или непроводящим электрический ток, пыльные помещения под-
разделяются на помещения с проводящей ток пылью и помещения
с непроводящей пылью.
Помещения с химически активной средой — помещения, в кото-
рых по условиям производства содержатся (постоянно или длитель-
но) пары или отложения, разрушительно влияющие на изоляцию
и токоведущие части электрооборудования.
Жаркие помещения — помещения, в которых температура дли-
тельно превышает 30 °C.
Пожароопасные помещения — помещения или наружные уста-
новки, в которых применяются или хранятся горючие вещества.
277
Пожароопасные помещения в зависимости от характера горючих
материалов, находящихся в них, подразделяются натри класса. На-
ружные установки, в которых применяются или хранятся горючие
жидкости, относятся к четвертому классу.
Взрывоопасные помещения — помещения, в которых по услови-
ям технологического процесса выделяются горючие газы или пары,
а также горючие волокна или пыль, переходящие во взвешенное
состояние и образующие с воздухом взрывоопасные смеси (напри-
мер, угольная пыль). В зависимости от характера взрывоопасных
газов, паров или смесей взрывоопасные помещения подразделяют-
ся на шесть классов.
9.7.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕЩЕНИЙ
С ЭЛЕКТРОУСТАНОВКАМИ
Под электрическими установками понимается совокупность
электрических машин, аппаратов, линий и вспомогательного обо-
рудования, предназначенных для производства, преобразования,
трансформации, передачи и распределения электрической энер-
гии, а также для преобразования ее в другой вид энергии. По уров-
ню рабочего напряжения электрические установки подразделяют-
ся на установки с напряжением до 1 кВ и свыше 1 кВ.
По месту размещения электрические установки могут быть от-
крытыми (или наружными) и закрытыми (или внутренними). В пер-
вом случае электрические установки не защищены от атмосферных
воздействий, во втором — защищены. Установки, защищенные сет-
ками или навесами, относятся к открытым.
В отношении опасности поражения людей электрическим то-
ком помещения с электрическими установками подразделяются
на три группы. К первой, группе относятся помещения с повышен-
ной опасностью, в которых имеется одно или несколько условий,
создающих повышенную опасность: наличие сырости или токо-
проводящей пыли (относительная влажность воздуха длительно
превышает 75%, а пыль может оседать на проводах и попадать
внутрь машин и аппаратов); наличие токопроводящих полов (ме-
таллические, земляные, кирпичные и т.п.); наличие высокой тем-
пературы (температура постоянно превышает 35 °C); возможность
прикосновения человека к имеющим соединение с землей метал-
лическим конструкциям зданий и технологическим механизмам
с одной стороны и к металлическим корпусам электрических уста-
новок — с другой.
278
Ко второй группе относятся особо опасные помещения, в ко-
торых имеются особая сырость (относительная влажность воздуха
близка к 100%, потолок, пол и стены покрыты влагой), химически
активная или агрессивная среда (длительно содержатся агрессив-
ные пары, газы и жидкости, разрушающие изоляцию и токоведу-
щие части электрических установок), два или более условий повы-
шенной опасности.
К третьей группе относятся помещения без повышенной опас-
ности, Территории, на которых размещаются наружные электриче-
ские установки, относятся к особо опасным помещениям.
В помещениях с электрическими установками должны быть
предусмотрены площади для ремонта и монтажа оборудования,
а также необходимые для этого грузоподъемные механизмы. Мон-
таж электрического и электромеханического оборудования должен
проводиться так, чтобы при его работе шум и вибрации не превы-
шали допустимых пределов,
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите основные цели и этапы технической эксплуатации?
2. Перечислите типы помещений для хранения оборудования.
3. Чем отличается конструктивное исполнение оборудования?
4. Подробно расскажите о видах технического обслуживания
электрооборудования.
5, Назовите виды и причины износа электрооборудования.
6. Приведите классификацию электроустановок, электропомеще-
ний и электрооборудования.
Глава 10
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПРОДУКЦИИ
И РОЛЬ СТАНДАРТИЗАЦИИ
В ПОВЫШЕНИИ КАЧЕСТВА
10.1.
СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СТАНДАРТЫ.
КАТЕГОРИИ И ВИДЫ СТАНДАРТОВ
Стандартизация — это инструмент государственной технической
политики, деятельности по установлению правил и характеристик
в целях их добровольного многократного использования, направлен-
ный на достижение упорядоченности в сферах производства и обра-
щения продукции.
Стандартизация является эффективным средством управления
экономикой, существенным звеном, соединяющим в единый процесс
науку, технику и производство. Экономика не может обойтись без
стандартов. Можно привести тому множество примеров — от форма-
та писчей бумаги до наименования доменов д ля Интернета.
Цели стандартизации:
повышение уровня безопасности жизни или здоровья граждан,
экологической безопасности, безопасности жизни или здоровья
животных и растений:
повышение уровня безопасности объектов с учетом риска воз-
никновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенно-
го характера;
обеспечение научно-технического прогресса;
повышение конкурентоспособности продукции, работ, услуг;
рациональное использование ресурсов;
обеспечение технической и информационной совместимости;
обеспечение сопоставимости результатов исследований (испы-
таний) и измерений, технических и экономико-статистических
данных;
280
обеспечение взаимозаменяемости продукции.
Принципы стандартизации:
добровольное применение стандартов;
максимальный учет при разработке стандартов законных инте-
ресов заинтересованных лиц;
применение международного стандарта как основы разработки
национального стандарта, за исключением случаев, если такое
применение признано невозможным вследствие несоответствия
требований международных стандартов климатическим и гео-
графическим особенностям Российской Федерации;
недопустимость создания препятствий производству и обраще-
нию продукции;
недопустимость установления таких стандартов, которые проти-
воречат техническим регламентам;
обеспечение условий для единообразного применения стандар-
тов.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ
В СТАНДАРТИЗАЦИИ
10.2.
Международный стандарт — стандарт, принятый международ-
ной организацией.
Национальный стандарт — стандарт, утвержденный нацио-
нальным органом РФ по стандартизации,
Техническое регулирование — правовое регулирование отноше-
ний в области установления, применения и исполнения обязатель-
ных требований к продукции, процессам производства, эксплуата-
ции, хранения, перевозки, реализации и утилизации и т. д.
Технический регламент — документ, который устанавливает обя-
зательные для применения и исполнения требования к объектам тех-
нического регулирования (продукции), в том числе зданиям, строе-
ниям и сооружениям, процессам производства, эксплуатации, хране-
ния, перевозки, реализации и утилизации. Технические регламенты
принимаются законами либо постановлениями Правительства РФ.
ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕГЛАМЕНТ
10.3.
Технические регламенты принимаются в целях защиты жизни
или здоровья граждан, имущества физических или юридических
лиц, государственного или муниципального имущества, охраны
281
окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений,
предупреждения действий, вводящих в заблуждение потребителей,
Технические регламенты с учетом степени риска причинения
вреда устанавливают необходимые требования, обеспечивающие:
безопасность излучений;
биологическую безопасность, взрывобезопасность;
механическую безопасность;
пожарную безопасность;
промышленную безопасность;
термическую безопасность;
химическую безопасность;
электрическую безопасность;
ядерну ю и радиационную безопасность;
электромагнитную совместимость в части обеспечения безопас-
ности работы приборов и оборудования;
единство измерений.
В настоящее время действуют:
Технический регламент о безопасности зданий и сооружений
(Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ);
Технический регламент о требованиях безопасности крови, ее про-
дуктов, кровезамещающих растворов и технических средств, ис-
пользуемых в трансфузионно-инфузионной терапии (утвержден
Постановлением Правительства РФ от 26 января 2010 г. № 29);
Технический регламент ТС 010/2001 «О безопасности машин и
оборудования »;
Технический регламент о безопасности колесных транспортных
средств (утв. Постановлением Правительства РФ от 10 сентября
2009 г. № 720; с изм. от 10.09.2010);
Технический регламент о требованиях к автомобильному и ави-
ационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу
для реактивных двигателей и топочному мазуту (утвержден По-
становлением Правительства РФ от 27 февряля 2008 г. № 118);
Технический регламент на табачную продукцию (Федеральный
закон от 22 декабря 2008 г. № 268-ФЗ);
Технический регламент о требованиях пожарной безопасности
(Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ);
Технический регламент о безопасности аппаратов, работающих
на газообразном топливе (утвержден Постановлением Прави-
тельства РФ от И февраля 2010 г. № 65 (вступил в силу
с 01.01.2011));
Технический регламент о безопасности оборудования для рабо-
ты во взрывоопасных средах (утвержден Постановлением Пра-
282
вительства РФ от 24 февряля 2010 г. № 86 (вступил в силу
c01.03.2011));
Технический регламент о безопасности объектов морского
транспорта (утвержден Постановлением Правительства РФ
от 12 августа 2010 г. № 620 (вступил в силу с 12.08.2011)).
В настоящее время стандартизация как вид деятельности в Рос-
сии регламентируется Федеральным законом от 27 декабря 2002 г.
№ 184-ФЗ «О техническом регулировании». Вопросы проведения
государственной политики в сфере стандартизации и метроло-
гии находятся в ведении Госстандарта России, преобразованного
в 2004 г. в Федеральное агентство по техническому регулированию
и метрологии (Ростехрегулирование) Министерства промышленно-
сти и энергетики Российской Федерации.
ВИДЫ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИХ
ДОКУМЕНТОВ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
10.4.
На территории Российской Федерации действуют следующие
документы:
национальные стандарты;
правила стандартизации, нормы и рекомендации в области стан-
дартизации;
классификации, общероссийские классификаторы технико-эко-
номической и социальной информации.
Национальные стандарты утверждает Национальный орган Рос-
сийской Федерации по стандартизации. Разработчиком националь-
ного стандарта может быть любое лицо.
В настоящее время фонд национальных стандартов составляет
более 20000 стандартов, из них с международными стандартами
гармонизировано около 40%. Со дня вступления в силу Федераль-
ного закона «О техническом регулировании» национальными стан-
дартами признаются государственные и межгосударственные стан-
дарты, принятые Госстандартом России до 01.07.2003.
Обозначение национального стандарта Российской Федерации
состоит из индекса ГОСТ Р, регистрационного номера и отделен-
ных тире двух последних цифр года утверждения, например: ГОСТ
Р 50314—92. С 2000 г. год утверждения указывается четырьмя циф-
рами, например: ГОСТ 7.60—2003.
Государственные стандарты бывшего СССР странами СНГ при-
знаются в качестве межгосударственных и действующих на террито-
рии государств — членов СНГ, если они не противоречат националы
283
ному законодательству. Обозначение межгосударственного стандар-
та состоит из индекса ГОСТ, регистрационного номера и отделенных
от него тире двух последних цифр года. С 2000 г. межгосударственный
стандарт также указывается четырьмя цифрами. В обозначении стан-
дартов как межгосударственных, так и государственных Российской
Федерации, входящих в комплекс стандартов, первые цифры с точ-
кой в их регистрационном номере определяют комплекс стандартов.
В настоящее время проводится работа по гармонизации меж-
государственных и национальных стандартов с международными
стандартами. Россия активно сотрудничает с международными
организациями по стандартизации — Международной электро-
технической комиссией (МЭК), Международной организацией
по стандартизации (ИСО), Международным союзом электросвязи
(МСЭ), принимая участие в разработке международных стандартов
и в обеспечении их применения.
Обозначения межгосударственного и национального стандар-
тов Российской Федерации, оформленных на основе аутентичных
текстов международного стандарта и не содержащих дополнитель-
ных требований, состоят из индекса соответственно ГОСТ и ГОСТ Р
и обозначения соответствующего международного стандарта и от-
деленных от него знаком тире года принятия межгосударственного
и утверждения государственного стандарта (до 2000 г. — двух цифр
года, после 2000 г. — четырех), например: ГОСТ Р МЭК 536-94.
В случае, когда стандарты оформлены на основе аутентичного тек-
ста международного стандарта и содержат дополнительные требо-
вания, обозначение примененного международного стандарта при-
водится в скобках, например: ГОСТ 7.32—91 (ИСО 5966-82), ГОСТР
50314—92 (ИСО 7944-84).
В России ежегодно выпускается Указатель национальных стан-
дартов. В нем содержатся все действующие по состоянию на 1 ян-
варя текущего года нормативные документы. Стандарты система-
тизированы по разделам, группам и подгруппам.
С 2001 г. все действующие нормативные документы системати-
зированы по кодам межгосударственного классификатора стандар-
тов и общероссийского классификатора стандартов.
УКАЗАТЕЛИ СТАНДАРТОВ
10.5.
Общероссийские классификаторы технико-экономической и со-
циальной информации — нормативные документы, распределяю-
щие технико-экономическую и социальную информацию в соот-
284
ветствии с ее классификацией (классами, группами, видами и др.)
и являющиеся обязательными для применения при создании госу-
дарственных информационных систем и информационных ресур-
сов. Порядок разработки, принятия, введения в действие устанав-
ливается Правительством РФ.
Общероссийский классификатор стандартов (ОКС) входит в со-
став Единой системы классификации и кодирования технико-эко-
номической и социальной информации (ЕСКК) Российской Федера-
ции. Гармонизирован с Международным классификатором стандар-
тов (МКС) и Межгосударственным классификатором стандартов.
ОКС предназначен для использования при формировании ка-
талогов, указателей, выборочных перечней, библиографических
материалов, а также для обеспечения предоставления информации
и распространения этих документов в национальном, межгосудар-
ственном и международном масштабах. Объектами классифика-
ции ОКС являются национальные стандарты и другие норматив-
ные и технические документы.
Классификатор представляет собой иерархическую трехступен-
чатую классификацию с цифровым алфавитом кода классификаци-
онных группировок всех ступеней иерархического деления и имеет
следующую структуру:
XX — раздел (пример: 31 — «Электроника»);
XXX — группа (пример: 31.060 — «Конденсаторы»);
XX — подгруппа (пример: 31.060.70 — «Силовые конденсаторы»).
Для пользователей ОКС разработан и включен в состав класси-
фикатора в виде отдельного приложения алфавитно-предметный
указатель (АПУ). Ведение Общероссийского классификатора стан-
дартов осуществляет ВНИИКИ. В соответствии с Федеральным за-
коном «О техническом регулировании» на базе ВНИИКИ создан
Федеральный фонд технических регламентов и стандартов.
Библиотека получает также информационный указатель стан-
дартов (ИУС) «Национальные стандарты». В этом указателе при-
водится информация об утвержденных стандартах, стандартах за-
мененных и отмененных на территории Российской Федерации,
а также изменения, утвержденные к национальным стандартам
Российской Федерации. Используется классификация Общерос-
сийского классификатора стандартов, что удобно для пользовате-
лей. Ежегодник включает в себя сведения обо всех стандартах, дей-
ствующих на 1 января текущего года.
В последние годы указатель выходит в трех томах. Первый и вто-
рой тома отражают действующие стандарты. В описании стандарта
приводятся: обозначение стандарта, его название, указание, вза-
285
мен какого документа был введен данный стандарт, и для ГОСТов,
введенных после 1 января 2005 г., — степень соответствия анало-
гичному международному стандарту (стандарт идентичный или мо-
дифицированный). Описания стандартов размещены в указателе
согласно Общероссийскому классификатору стандартов.
Третий том содержит вспомогательные указатели. Здесь печата-
ется список ГОСТов строго в порядке возрастания цифровой после-
довательности (но без названия) с указанием кода по ОКС и группы
по Классификатору государственных стандартов (КГС), по которо-
му происходила систематизация стандартов до внедрения ОКС.
Здесь же в разделе «Для отметок» в круглых скобках помещаются
сведения об изменениях ГОСТа с указанием порядкового номера
изменения и года и номера ИУС, в котором было опубликовано из-
менение. По этому списку можно быстро найти название интере-
сующего ГОСТа, а также определить, был ли он изменен. В этом же
томе печатается подробный предметный указатель, в котором
приводятся номера страниц первого и второго томов ежегодника,
на которых помещены описания ГОСТов, соответствующих данной
предметной рубрике. Поэтому для удобства пользования первый
и второй тома имеют сквозную нумерацию страниц.
Ежемесячный информационный указатель «Национальные
стандарты» оперативно регистрирует все изменения в системе
национальных стандартов (издается с 1940 г.). В нем публикуются
новые национальные стандарты Российской Федерации и межго-
сударственные стандарты, введенные в действие в качестве нацио-
нальных стандартов Российской Федерации; сведения о заменен-
ных и отмененных стандартах; сведения об изменении стандартов;
уведомления о разработке проектов новых национальных стан-
дартов с указанием разработчика. Информация ИУС при работе
со стандартами важна, так как действующие стандарты должны ис-
пользоваться в форме, предусматривающей все последние текущие
изменения в них.
ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
СТАНДАРТОВ
10.6.
В общем объеме национальных стандартов особое место зани-
мают комплексы стандартов общетехпических систем. Создание
взаимовыгодных систем нормативных документов на основе ком-
плексного подхода в свое время стало одним из важнейших до-
стижений советской и российской стандартизаций. В России дей-
286
ствуют 15 систем и 10 комплексов стандартов, в том числе Единая
система конструкторской документации (ЕСКД), Единая система
программной документации (ЕСПД) и др. Изучение блока техниче-
ских дисциплин начинается с изучения стандартов Единой систе-
мы конструкторской документации ЕСКД.
ЕСКД — это комплекс национальных стандартов, устанавлива-
ющих единые взаимосвязанные правила и положения по порядку
разработки, оформления и обращения к конструкторской докумен-
тации. Система подобного плана разработана впервые в мире. Бла-
годаря введению единого языка упрощенных изображений и мето-
дов их нанесения значительно сократились трудозатраты конструк-
торов. Дальнейшее развитие системы осуществляется с учетом
обеспечения высокой эффективности процессов автоматизации
проектирования, автоматизированного производства и управле-
ния.
В цикле изучаемых технических дисциплин изучаются и нормы
по расчетам и испытаниям на прочность, вопросы технологии раз-
личных производств и многое другое, что дает возможность на эта-
пе дипломного проектирования разрабатывать и конструировать
сложные современные установки.
СИБИД — система стандартов по информации, библиотечному
и издательскому делу. ГОСТ 7.32—2001 «Отчет о научно-исследова-
тельской работе. Структура и правила оформления» устанавливает
общие требования к структуре и правилам оформления научных
и технических отчетов. Настоящий стандарт распространяется
на отчеты о фундаментальных, поисковых, прикладных научно-ис-
следовательских работ по всем областям науки и техники, выпол-
няемыми научно-исследовательскими организациями, высшими
учебными заведениями и другими организациями.
СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ОБЛАСТИ
ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
10.7.
Первоосновой построения информационного общества, элек-
тронного распространения информации являются информаци-
онные и коммуникационные технологии. В России приобретают
особую важность работы по развитию и совершенствованию оте-
чественной нормативной базы в области информационных техно-
логий. Сейчас в этой области действует свыше 450 национальных
стандартов, которые обеспечивают также прямое введение между-
народных стандартов.
287
Разрабатываются основополагающие стандарты по наиболее
актуальным направлениям: программная инженерия, взаимосвязь
открытых систем, компьютерное сопровождение, поддержка жиз-
ненного цикла наукоемкой продукции и т.д. Программная инже-
нерия — одно из самых приоритетных для России направлений
стандартизации. Вопросы ее основательно и глубоко изучаются
и в МИФИ. Программное обеспечение измерительных информаци-
онных систем, систем контроля и оптимизации процессов, систем
поверки и калибровки и применение средств искусственного интел-
лекта в измерительных технологиях, обеспечение безопасности из-
мерительной системы и ее защита от несанкционированного досту-
па — вот основные направления стандартизации в этой области.
10.8.
МЕТРОЛОГИЯ
Важная роль в реформировании российской системы стандар-
тизации отводится метрологии, которая должна обеспечить един-
ство измерений, повышение их точности и достоверности в про-
цессе выполнения научных исследований. Регламентация метроло-
гических правил подготовки и выполнения измерений, обработки
и представления их результатов является основной целью норма-
тивных документов Государственной системы обеспечения един-
ства измерений (ГСП). В настоящее время нормативную базу ГСП
составляют более 2,8 тыс. нормативных документов, в числе кото-
рых национальные стандарты, правила, методические инструкции,
директивные документы. Основными объектами регламентации
являются общие основополагающие нормы и правила, поверочные
схемы, методики поверки средств измерений и методики выполне-
ния измерений. Эталонная база России является национальным до-
стоянием и определяет уровень научного, технического и культур-
ного развития страны.
В ГСП входят Государственная служба стандартных справочных
данных о физических константах и свойств веществ и материа-
лов, а также важнейшие метрологические службы: Государствен-
ная служба времени, частоты и определения параметров враще-
ния Земли; Государственная служба стандартных образцов состава
и свойств веществ и материалов; Государственная служба стандарт-
ных справочных данных о физических константах и свойств ве-
ществ и материалов (ГСССД), которая обеспечивает достоверными
данными о свойствах вновь создаваемых и применяемых веществ
и материалов,
288
В 1993 г. в России был принят Закон РФ от 27 апреля 1993 г.
№ 4871-1 «Об обеспечении единства измерений», который служит
базой для создания в нашей стране новой системы измерений.
Межгосударственный стандарт Государственной системы обеспе-
чения единства измерений ГОСТ 8.417—2002 «ГСИ. Единицы вели-
чин» устанавливает единицы физических величин, применяемые
в России.
В работе по созданию ГСССД 131-89 «Нейтронно-активацион-
ные детекторы для реакторных измерений сечения реакций взаи-
модействия нейтронов с ядрами» принимали участие сотрудники
МИФИ.
НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ
В БИБЛИОТЕЧНОМ ФОНДЕ
10.9.
В библиотечном фонде представлена научно-техническая доку-
ментация. Фонд научно-технической документации содержит свы-
ше 5 тыс. документов (стандарты, правила, каталоги, справочные
пособия, указатели стандартов, классификаторы, периодические
издания по вопросам стандартизации, метрологии, сертификации
и др.). Центр получает следующие периодические издания: «Мето-
ды менеджмента качества», «Стандарты и качество» — ежемесяч-
ные научно-технические журналы об опыте внедрения стандартов
менеджмента качества, о проблемах, возникающих при этом, и пу-
тях их преодоления. В журналах публикуются материалы о передо-
вых методах управления предприятиями и организациями.
В журнале «Сертификация» освещаются вопросы техническо-
го регулирования, в том числе подтверждения соответствия про-
дукции нормативным требованиям, разработки и сертификации
систем менеджмента, работ в рамках программы премии Прави-
тельства РФ по качеству, защиты отечественного потребительского
рынка. Журнал выходит с приложением «Менеджмент: горизонты
ИСО», которое посвящено вопросам международной стандартиза-
ции систем менеджмента (ИСО 9000, ИСО 14000 и др.) и опыту их
применения.
«Контрольно-измерительные приборы и системы» (КИПиС) —
научно-технический журнал, освещающий состояние дел в обла-
сти измерительной техники, технического регулирования и метро-
логии. На страницах журнала публикуются сведения о внесении
новых приборов в Государственный реестр средств измерений,
теоретические разработки в области метрологии, рекомендации
289
по ремонту и обслуживанию приборов, информация о конферен-
циях и семинарах, посвященных этой проблематике.
Сотрудники абонемента научной литературы дают консульта-
ции и тематические справки студентам о наличии действующих
стандартов, необходимых при выполнении лабораторных работ,
учебно-исследовательской работы, курсового и дипломного проек-
тирования, а также для научных исследований и написания статей.
Фонд научно-технической документации (НТД) — это системати-
зируемый массив документов, который корректируется на основа-
нии официальных сведений об отмене, замене, изменениях и до-
полнениях.
Тематика нормативно-технической документации:
терминология, стандартизация, документация;
математика, естественные науки;
охрана окружающей среды, защита человека от воздействия
окружающей среды, безопасность;
метрология, измерения, физические явления;
испытания;
машиностроение, в том числе системы автоматизации произ-
водства и их интеграция;
энергетика и атомная энергетика;
информационные технологии.
Справочно-поисковый аппарат фонда содержит:
нумерационный каталог — библиотечный каталог, в котором
библиографические записи располагаются в порядке номеров
нормативных документов;
тематическую картотеку.
Полнотекстовая база данных (БД) ГОСТов, действующих на тер-
ритории Российской Федерации (программа «Стандарт Плюс»),
установлена в электронном читальном зале; БД содержит более
20 тыс. полнотекстовых документов. База данных содержит все
полные тексты ГОСТов, действующих на территории Российской
Федерации, Отсканированные нормативные документы хранятся
в графическом виде в формате PDF. Данные полные тексты норма-
тивных документов имеют статус электронной копии, на машин-
ных носителях. Поиск ведется по тематике стандарта, по Класси-
фикатору государственных стандартов (КГС) и Общероссийскому
классификатору стандартов (ОГС). В самой программе «Стандарт
Плюс» коды КГС и ОКС не представлены. Найти их можно на сайте
ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ». Предварительно можно провести
поиск на сайте по кодам КГС и ОГС и тематике, а затем необходи-
мый ГОСТ скачать из БД ГОСТов в библиотеке.
290
Мировой опыт управления качеством сконцентрирован в паке-
те международных стандартов ИСО 9000, принятых Межгосудар-
ственной организацией по стандартизации (ИСО) в марте 1987 г.,
в 2000 г, ИСО приняла новую версию этих стандартов — МС ИСО
9000—2000. В настоящее время стандарты ИСО серии 9000 призна-
ны практически всеми странами мира, приняты в качестве нацио-
нальных и внедрены множеством фирм. В России стандарты ИСО
9000—2000 введены в действие в 2001 г. принятием и опубликова-
нием ГОСТ Р ИСО 9000—2001, ГОСТ Р ИСО 9001—2001 и ГОСТ Р
ИСО 9004—2001.
Отсутствие сертификата на систему качества все в большей сте-
пени становится главным препятствием выхода компании на внеш-
ний рынок. Осознав это, российские предприятия внедряют стан-
дарты ИСО серии 9000. Сертификация считается основным досто-
верным способом доказательства соответствия продукции (процес-
са, услуги) заданным требованиям. Любая система сертификации
использует стандарты, на соответствие требованиям которых про-
водятся испытания. Стандарты, которые используются для целей
сертификации, представлены в полнотекстовой БД «Сертификация
продукции и услуг».
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое национальный стандарт?
г. Что такое технический регламент?
3. Назовите виды нормативно-технических документов.
4. Где найти информацию о ГОСТах, действующих на территории
Российской Федерации?
5. Как получить полные тексты стандартов?
Глава 11
ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ.
ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО
О ТЕХНИЧЕСКОМ РЕГУЛИРОВАНИИ.
ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕГЛАМЕНТЫ
11.1.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕДЕРАЛЬНОМ
ЗАКОНЕ «О ТЕХНИЧЕСКОМ
РЕГУЛИРОВАНИИ»
Федеральный закон «О техническом регулировании» от 27 де-
кабря 2002 г. № 184-ФЗ определил новую систему установления
и применения требований к продукции, процессам производства,
работам и услугам. Закон направлен на создание основ единой по-
литики в областях технического регулирования, стандартизации
и сертификации, отвечающей современным международным тре-
бованиям. В результате принятия закона появились новые право-
вые акты, прежде всего технические регламенты, существенно
меняющие повседневную экономическую жизнь Российской Фе-
дерации. Основными инструментами технического регулирова-
ния стали технические регламенты, которые представляют собой
обязательные правила, вводимые федеральными законами, нацио-
нальные стандарты — правила для добровольного использования,
процедуры подтверждения соответствия, аккредитация, государ-
ственный контроль и надзор.
Федеральный закон «О техническом регулировании» направ-
лен на создание механизма обеспечения защиты жизни и здоровья
граждан, охраны окружающей среды, обороны и национальной
безопасности страны. Формирование в стране комплекса техниче-
ских регламентов, в первую очередь, направлено на защиту нацио-
нальных научно-технических разработок и использование резуль-
татов научно-технической деятельности в интересах национальной
292
экономики, т.е. на обеспечение технологической безопасности го-
сударства.
Главная цель Федерального закона «О техническом регулирова-
нии» — создание основы единой политики в области стандартиза-
ции и сертификации, В результате принятия закона на отечествен-
ном правовом поле появились новые нормы, которые существенно
изменили экономическую жизнь страны. Этот закон можно на-
звать конституцией для промышленности — он отменяет действие
Федеральных законов от 10 января 2003 г. № 15-ФЗ «О стандарти-
зации» и от 10 января 2003 г. № 15-ФЗ «О сертификации продукции
и услуг» и ряда других нормативных актов. Закон требует внесения
изменений и дополнений в значительное количество документов
действующего законодательства, включая до 50 федеральных за-
конов и более 60 тыс. нормативных и правовых актов: приказов,
распоряжений и постановлений Правительства РФ и министерств
и ведомств, которые известны как ГОСТы, ОСТы, СНИПы, СанПи-
Ны, нормы пожарной и ветеринарной безопасности и т.д. Все они
будут действовать до тех пор, пока их не заменит соответствующий
технический регламент.
Не менее важной целью принятия Федерального закона «О тех-
ническом регулировании» является приведение российских про-
цедур стандартизации и сертификации в соответствие с требова-
ниями Всемирной торговой организации (ВТО), в первую очередь
с требованиями Соглашения ВТО по техническим барьерам в тор-
говле. Данный закон противодействует превращению националь-
ных стандартов и различных технических требований к продукции
услугам в инструмент протекционизма по отношению к каким-
либо группам товаропроизводителей. Гармонизация националь-
ной системы стандартизации с международной облегчает выход
российской высокотехнологичной продукции на мировые рынки,
позволяет организовать кооперацию в ее производстве субподряд-
чиками из развитых стран.
Наглядным примером технического регулирования является ре-
шение Международной организации гражданской авиации о всту-
плении в силу с 01.04,2002 конвенции, ужесточающей требования
к уровню шумов двигателей самолетов, работающих на междуна-
родных линиях Европейского союза (Евросоюза). Экономические
последствия для российских авиакомпаний, использующих на меж-
дународных рейсах отечественные самолеты, не отвечающие этим
нормам, очевидны.
Концепция Федерального закона «О техническом регулирова-
нии» предусматривает, что все обязательные требования к продук-
293
ции и услугам устанавливаются только техническими регламентами,
которые определяются федеральными законами и постановления-
ми Правительства РФ. Технические регламенты должны содержать
минимальные требования для обеспечения безопасности продук-
ции (услуг); сфера применения обязательных требований сводит-
ся к минимуму. После вступления в силу технических регламентов
обязательные требования стандартов перестают быть обязательны-
ми и государственный контроль (надзор) начинает осуществляться
за соблюдением требований технических регламентов.
В полную силу Федеральный закон «О техническом регулиро-
вании» начнет работать после введения технических регламентов,
тогда Российская Федерация выйдет на формирование Единого ко-
декса законов о техническом регулировании
ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
11.2.
Техническое регулирование является разновидностью государ-
ственного регулирования, которое предполагает использование
юридических инструментов для реализации целей социально-эко-
номической политики государства. В рамках государственного ре-
гулирования происходит принуждение индивидов или организа-
ций к соблюдению определенных обязательных требований под
угрозой официальных санкций со стороны специализированных
государственных структур и органов.
В Организации экономического сотрудничества и развития
(ОЭСР) под государственным регулированием понимаются разно-
образные инструменты, с помощью которых государство устанав-
ливает требования к предприятиям и гражданам. Такое регулирова-
ние включает в себя законы, формальные и неформальные предпи-
сания и вспомогательные правила, устанавливаемые государством,
а также негосударственными организациями или организациями
саморегулирования, которым государство делегировало регулятор-
ные полномочия.
В ст. 2 Федерального закона «О техническом регулировании» да-
ется следующее определение: техническое регулирование — право-
вое регулирование отношений в области установления, примене-
ния и исполнения обязательных требований к продукции, процес-
сам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации
и утилизации, а также в области установления и применения на до-
бровольной основе требований к продукции, процессам производ-
ства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилиза-
294
ции, выполнению работ или оказанию услуг и правовое регулиро-
вание отношений в области оценки соответствия.
Упрощенно этот термин можно пояснить так: техническое регу-
лирование — обязательные условия нефинансового характера для
предпринимательской деятельности, которые устанавливает госу-
дарство. Очевидно, что характеристики продукции, процессы про-
изводства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и ути-
лизации должны иметь общие требования. То же самое относится
к выполнению всевозможных работ и услуг.
В понятие «техническое регулирование» входит и оценка соот-
ветствия продукции, процессов, работ и услуг установленным нор-
мам, а также контроль за их соблюдением. Кроме обязательных
постулатов данный термин включает в себя функции соблюдения
добровольных правил в той сфере деятельности, которой занят
предприниматель.
ПРИНЦИПЫ ТЕХНИЧЕСКОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ
11.3.
На Федеральном законе «О техническом регулировании» от-
рабатывается новый формат государственного регулирования
экономики в целом. Основной принцип технического регулирова-
ния — законодательный уровень всех ограничений, которые суще-
ствуют в отношении предпринимательской деятельности. Поэтому
декларирование в законе принципов технического регулирования
влечет за собой необходимость их реализации при организации
технического регулирования, разработке регламентирующей доку-
ментации и практической деятельности предпринимателей в этой
области.
1. Принцип «применение единых правил установления требова-
ний» означает, что требования формулируются единообразно, не-
зависимо от вида продукции или процесса, формы собственности
юридического статуса разработчика, технического регламента или
стандарта, предпринимателя, выпускающего продукцию или ока-
зывающего услугу.
2. Принцип «соответствие технического регулирования уровню
развития национальной экономики, развития материально-техни-
ческой базы, а также уровню научно-технического развития» озна-
чает, что требования, закладываемые в технические регламенты
и национальные стандарты, должны быть выполнимыми с учетом
достигнутого уровня развития отечественной промышленности,
295
обеспеченности обладающими нужными свойствами материалами
и оборудованием, технологическими процессами, необходимой ин-
формацией.
3. Принцип «независимость органов по аккредитации, орга-
нов по сертификации от изготовителей, продавцов, исполнителей
и приобретателей» декларирует то, что органы по аккредитации
и сертификации не должны быть связаны ни с изготовителями
(продавцами, исполнителями), ни с приобретателями никакими до-
говорными обязательствами, за исключением тех, которые преду-
смотрены действующими правилами. Персонал этих органов дол-
жен быть защищен от попыток незаконного давления или других
воздействий, которые могли бы повлиять на принимаемые реше-
ния. Руководители этих организаций должны разрабатывать меры,
направленные на то, чтобы сотрудники не вступали в незаконные
сделки с лицами, заинтересованными в финансовых результатах
аккредитации и сертификации.
4. Принцип «единая система и правила аккредитации» означает,
что аккредитация органов по сертификации, испытательных лабора-
торий и центров должна осуществляться в единой системе, а терми-
нология, правила и процедуры аккредитации, применяемые в этой
системе, должны быть основаны на единых принципах с учетом
международного опыта, отраженного в руководствах ИСО и МЭК,
международных и европейских стандартах в области аккредитации.
5. Принцип «единство правил и методов исследований (испыта-
ний) и измерений при проведении процедур обязательной оценки
соответствия» устанавливает единство правил, относящихся к ор-
ганизации испытаний и измерений, применяемой документации,
общих, т, е. независимых от физической или химической природы
контролируемых параметров, критериев соответствия оценивае-
мых объектов установленным требованиям.
6. Принцип «единство применения требований технических ре-
гламентов независимо от видов и особенностей сделок» деклариру-
ет обязательность требований технических регламентов независи-
мо от того, на основе каких договорных обязательств поставляется
продукция, оказывается услуга или выполняется работа.
7. Принцип о недопустимости ограничения конкуренции при
осуществлении аккредитации и сертификации запрещает возмож-
ность создания преимуществ отдельным заявителям, искусствен-
ного затормаживания решения вопросов или их необоснованного
ускорения.
8. Принцип недопустимости совмещения полномочий органа
государственного контроля (надзора) и органа по сертификации
296
разграничивает сферы их деятельности. В обязанности этих орга-
нов входит контроль за сертифицированной продукцией и другими
сертифицированными объектами, однако уровень этого контроля
различен: орган по сертификации контролирует выполнение его
решений, а орган госнадзора контролирует деятельность органа
по сертификации, проверяет, насколько точно выполняются его ре-
шения.
9. Принцип недопустимости совмещения одним органом полно-
мочий на аккредитацию и сертификацию вводит запрет на возмож-
ность одной и той же организации быть и исполнителем, и контро-
лером своей деятельности.
10. Принцип недопустимости внебюджетного финансирования
государственного контроля (надзора) за соблюдением требований
технических регламентов отрицает возможность влияния частного
капитала на деятельность, являющуюся по закону деятельностью
государственного органа.
ПОНЯТИЕ, ВИДЫ И СОДЕРЖАНИЕ
ТЕХНИЧЕСКИХ РЕГЛАМЕНТОВ
11.4.
Согласно ст. 2 Федерального закона «О техническом регулирова-
нии» технический регламент — документ, который принят между-
народным договором Российской Федерации, ратифицированным
в порядке, установленном законодательством Российской Федера-
ции, или федеральным законом, или указом Президента РФ, или
постановлением Правительства РФ, и устанавливает обязательные
для применения и исполнения требования к объектам техниче-
ского регулирования (продукции, в том числе зданиям, строениям
и сооружениям, процессам производства, эксплуатации, хранения,
перевозки, реализации и утилизации).
Принятие технических регламентов направлено на защиту граж-
дан и их имущества, живой природы, а также на предупреждение
неправильных действий, которые могут привести к нежелательным
последствиям для пользователей продукции.
Согласно п. 2 ст. 6 данного закона технические регламенты вклю-
чают в себя только те требования, которые обеспечивают решение
вопросов, сформулированных в предыдущем абзаце. Принятие же
технических регламентов в каких-либо иных целях не допускается.
Соблюдение прочих технических норм, напрямую не связанных
с упомянутыми в статье закона вопросами, становится факульта-
тивными делом.
297
Технические регламенты должны устанавливать минимально
необходимые требования, обеспечивающие безопасность по ряду
специфических вопросов. В узком смысле безопасность — это от-
сутствие недопустимого риска, связанного с возможностью нане-
сения ущерба, в широком — состояние защищенности жизненно
важных интересов личности, общества и государства от внутрен-
них и внешних угроз или опасностей.
Требования технических регламентов не должны быть завы-
шенными по отношению к тем, которые надлежащим образом обе-
спечивают защиту жизни и здоровья граждан, имущества, охрану
окружающей среды, жизни и здоровья животных и растений, так
как это может обусловить усложнение и удорожание продукции
и услуг и, как следствие, стать препятствием осуществлению пред-
принимательской деятельности. Например, на стадии разработки
и согласования проектов технических регламентов вполне могут
возникнуть решения, которые поставят отечественных товаропро-
изводителей в менее выгодные условия, нежели зарубежных. Поэ-
тому при согласовании показателей по безопасности и проведении
экспертной оценки важно неукоснительно соблюдать принципы
конкурентного права. Наши законы должны защищать, а не разо-
рять отечественных предпринимателей.
В техническом регламенте должны быть перечислены все объек-
ты, на которые он распространяется. К таким объектам относятся:
продукция; процессы производства; процессы эксплуатации; про-
цессы хранения; процессы перевозки; процессы реализации; про-
цессы утилизации.
В техническом регламенте должны быть прописаны правила
идентификации объектов, т. е. правила признания тождественно-
сти реального объекта тем его характеристикам, которые содер-
жатся в техническом регламенте, и признаки его опознания. Кроме
того, технический регламент может содержать следующие данные:
правила и формы оценки соответствия;
схемы подтверждения соответствия;
предельные сроки оценки соответствия в отношении каждого
объекта технического регулирования;
терминологию, в которой дается определение терминам, специ-
фическим для данного технического регламента;
требования к упаковке, конструкции, способу исполнения, мар-
кировке или этикеткам и правилам их нанесения.
Очевидно, что технический регламент будет противодейство-
вать введению в заблуждение покупателя товаров. Для этого не-
обходимо разработать и принять на уровне федерального закона
298
технический регламент о порядке доведения сведений о товарах
до потребителей с помощью маркировки и оформления этикеток,
В настоящее время информация, наносимая на товары и включае-
мая в сопроводительную документацию, зачастую оказывается не-
достоверной, в результате чего получается неправильное представ-
ление о реальном качестве предлагаемой продукции. Когда устано-
вятся единые строгие правила, это позволит в значительной мере
лишить недобросовестных товаропроизводителей и продавцов воз-
можности безнаказанно заимствовать для обозначения собствен-
ной продукции наименования известных изделий существенно
иного качества, приписывать полезные свойства предметам, кото-
рые на самом деле ими не обладают, придавать продукции оформ-
ление, вводящее потребителя в заблуждение.
В техническом регламенте должны содержаться требования
только к характеристикам объектов, но не к конструкции, техноло-
гии и методам их разработки, с помощью которых эти характери-
стики обеспечиваются. Это задача разработчиков, конструкторов,
технологов. Исключение составляют случаи, когда без соблюдения
определенных правил разработки объекта заведомо невозможно
обеспечить защиту жизни и здоровья граждан, имущества, охрану
окружающей среды и растений, жизни и здоровья животных.
Технический регламент может содержать специальные требо-
вания к продукции, процессам производства, эксплуатации, хране-
ния, перевозки, реализации и утилизации, терминологии, упаков-
ке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения (объектам),
которые применяются в зависимости от того, в каких географиче-
ских и климатических зонах эти объекты производятся. Это обу-
словлено тем, что продукция, произведенная в таких зонах, может
обладать повышенной опасностью именно из-за их географиче-
ских и климатических особенностей. К таким требованиям могут
быть отнесены, в частности, ветеринарно-санитарные и фитосани-
тарные меры.
Как минимальный законом предусмотрен шестимесячный срок
со дня официального опубликования технического регламента
до вступления его в силу. Это сделано для того, чтобы изготовители
продукции и контролирующие органы могли подготовиться к ис-
полнению принимаемого федеральным законом или постановле-
нием Правительства РФ технического регламента. Поскольку этот
срок может оказаться очень малым для выполнения всех мер орга-
низационного, технического, экономического характера, подготов-
ка к моменту вступления технического регламента в силу должна
начинаться в процессе его разработки.
299
Закон устанавливает два вида технических регламентов: общие
и специальные. Требования общих регламентов обязательны для
применения и соблюдения в отношении любых видов продукции,
процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реа-
лизации и утилизации. Специальные регламенты устанавливают
требования к видам продукции, безопасность которых не обеспе-
чивается требованиями общих технических регламентов. Специ-
альные регламенты не должны противоречить общим регламентам
и представляют собой нормативные акты прямого действия. Об-
щие регламенты, оформленные как федеральные законы, должны
содержать основные нормы, распространяемые на широкий крут
объектов. Специальные регламенты устанавливают требования
к технологическим и иным особенностям отдельных видов продук-
ции, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки,
реализации и утилизации.
По оценке Федерального агентства по техническому регулиро-
ванию и метрологии количество специальных технических регла-
ментов составит около 1 500, что примерно соответствует числу
видов предпринимательской деятельности. Общих технических
регламентов будет разработано не более 10.
ПОРЯДОК РАЗРАБОТКИ И ПРИНЯТИЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО РЕГЛАМЕНТА
11.5.
Технический регламент может быть принят федеральным зако-
ном, указом Президента РФ, международным договором Россий-
ской Федерации, ратифицированным в порядке, установленном
законодательством Российской Федерации, постановлением Пра-
вительства РФ.
Проект технического регламента имеет право разработать лю-
бое лицо независимо от вида продукции или процесса, формы соб-
ственности и юридического статуса разработчика. Это, несомнен-
но, демократично и позволит полнее использовать интеллектуаль-
ный потенциал без ограничений.
Федеральный закон «О техническом регулировании» в качестве
одного из основных принципов заложил публичность подготовки
и прохождения проектов технических регламентов. Это принципи-
альное новшество. Важно, чтобы на каждом из этапов разработки но-
вой нормативной базы общество в целом и структуры государствен-
ной власти были подробно информированы о том, как идет процесс,
какие есть противоречия, кто автор тех или иных предложений.
300
Чтобы исключить возможность проведения через Государствен-
ную Думу технических регламентов в целях некорректной конку-
рентной борьбы, Федеральный закон «О техническом регулирова-
нии» предусматривает специальную процедуру подготовки и рас-
смотрения проектов технических регламентов. Данная процеду-
ра включает в себя ряд обязательных этапов, без которых проект
не может быть внесен в Государственную Думу. Это, в частности,
публикация, уведомления об его разработке в печатном издании
федерального органа исполнительной власти по техническому ре-
гулированию и в информационной системе общего использования
в электронно-цифровой форме (Интернете).
Уведомление должно содержать информацию о продукции, для
которой разрабатывается регламент. Сюда также требуется внести
обоснование необходимости разработки, указание отличий разра-
батываемого регламента от международных стандартов или от тре-
бований, действующих на территории Российской Федерации.
Необходимы также сведения о способе ознакомления с проектом
регламента и реквизиты разработчика, который должен обеспе-
чить доступность проекта регламента для ознакомления с момента
опубликования уведомления. Более того, он должен будет дораба-
тывать проект технического регламента с учетом полученных заме-
чаний, проводить не менее чем в течение 2 мес публичное обсужде-
ние проекта.
По существу обсуждение проекта технического регламента на-
чинается с момента опубликования уведомления о разработке тех-
нического регламента. Настоящий закон обязывает разработчика
предоставлять копию технического регламента любому заинтере-
сованному лицу. Заинтересованные лица направляют разработчи-
ку свои замечания и предложения. Разработчик рассматривает эти
замечания и предложения, принимает решение об их принятии,
частичном принятии или отклонении, Завершается этот этап раз-
работки технического регламента публичным обсуждением редак-
ции технического регламента, в которой учтены принятые замеча-
ния и предложения. Настоящим законом установлена длительность
этого этапа — менее 2 мес.
Этап обсуждения проекта технического регламента заверша-
ется публикацией федеральным органом исполнительной власти
по техническому регулированию уведомления, в котором содер-
жится информация о способе ознакомления с проектом техниче-
ского регламента и перечнем полученных в письменной форме за-
мечаний заинтересованных лиц, а также сведения о разработчике
технического регламента.
301
В ст. 9 закона установлен 10-дневпый срок уведомления феде-
ральным органом исполнительной власти по техническому регули-
рованию в своем печатном издании о разработке проекта техни-
ческого регламента и завершении публичного обсуждения этого
проекта с момента оплаты опубликования уведомлений. Подобным
образом обеспечивается информирование заинтересованных лиц
о разрабатываемом техническом регламенте с момента начала его
разработки и в ходе разработки. Это дает возможность исполните-
лям технического регламента выражать свое мнение по существу
разрабатываемого технического регламента и заблаговременно на-
чинать подготовку к его применению и исполнению.
В соответствии с законом время от момента опубликования уве-
домления о разработке проекта технического регламента до момен-
та опубликования уведомления о завершении публичного обсужде-
ния должно быть не менее 2 мес.
С внесения субъектом права законодательной инициативы про-
екта Федерального закона о техническом регламенте в Государствен-
ную Думу начинается этап принятия технического регламента. Ре-
гистрация проекта Федерального закона о техническом регламенте
осуществляется при наличии следующих основных документов:
обоснование необходимости принятия;
финансово-экономическое обоснование;
документы, подтверждающие опубликование уведомления
о разработке проекта;
документы, подтверждающие опубликование уведомления о за-
вершении публичного обсуждения проекта;
перечень полученных в письменной форме замечаний всех за-
интересованных лиц.
Внесенный проект Федерального закона о техническом регла-
менте с приложением документов направляется Государственной
Думой в Правительство РФ. На проект Федерального закона о тех-
ническом регламенте Правительство РФ в течение месяца направ-
ляет в Государственную Думу отзыв, подготовленный с учетом за-
ключения экспертной комиссии по техническому регулированию.
Период времени на подготовку Государственной Думой к при-
нятию закона о техническом регламенте в первом чтении после по-
лучения отзыва от Правительства РФ настоящим законом не уста-
новлен. Принятый в первом чтении проект Федерального закона
о техническом регламенте должен быть опубликован в печатном
издании федерального органа исполнительной власти по техниче-
скому регулированию и в информационной системе общего поль-
зования в электронно-цифровой форме.
302
Поправки к принятому в первом чтении проекту Федерального
закона о техническом регламенте после окончания срока их пода-
чи должны быть опубликованы не позднее чем за месяц до рассмо-
трения Государственной думой проекта технического регламента
во втором чтении. Проект Федерального закона о техническом
регламенте, подготовленный ко второму чтению, Государствен-
ная Дума направляет в Правительство РФ не позднее чем за месяц
до рассмотрения проекта Государственной Думой во втором чте-
нии. На проект Федерального закона о техническом регламенте
Правительство РФ в течение месяца посылает в Государственную
Думу отзыв, подготовленный с учетом заключения экспертной ко-
миссии по техническому регулированию.
В состав экспертных комиссий на паритетных началах включа-
ются представители федеральных органов исполнительной власти,
научных организаций, саморегулируемых организаций, обществен-
ных объединений предпринимателей и потребителей. Как указано
в пп. 7 и 8 данной статьи, эти комиссии дважды участвуют непо-
средственно в процессе принятия технического регламента — при
подготовке закона о техническом регламенте в первом и во втором
чтениях. Члены экспертных комиссий имеют возможность готовить
свое мнение о разрабатываемом техническом регламенте на более
ранней стадии: разработчик обязан предоставлять полученные
в письменной форме замечания заинтересованных лиц на проект
технического регламента по их запросам, и сам проект должен быть
доступен всем заинтересованным лицам с момента опубликования
уведомления о его разработке.
Внесение изменений и дополнений в технический регламент
или его отмена рассматривается как разработка нового техниче-
ского регламента. Внесение изменений может быть осуществлено
принятием федеральным законом, указом Президента РФ, между-
народным договором, постановлением правительства.
В исключительных случаях при возникновении особых обстоя-
тельств (угроза жизни или здоровью граждан, окружающей среде
и т. д.) Президент РФ вправе издать технический регламент без его
публичного обсуждения. При принятии технического регламента
международным договором применяется порядок его разработки,
предписанный п. б ст. 9 Федерального закона «О техническом ре-
гулировании ».
При необходимости сокращения срока введения в действие
технического регламента он может быть введен постановлением
Правительства РФ. При этом проект закона направляется на экс-
пертизу в соответствующую экспертную комиссию по техниче-
303
скому регулированию. При принятии постановления об издании
технического регламента учитывается заключение экспертной ко-
миссии.
В последнее время соответствующими техническими комитета-
ми разработаны проекты группы технических регламентов, а также
составлены и опубликованы методические рекомендации по разра-
ботке общих и специальных технических регламентов Р 50.1.044-
2003 «Рекомендации по разработке технических регламентов».
Итак, данный Федеральный закон «О техническом регулиро-
вании» направлен на создание основ единой политики в областях
технического регулирования, отвечающей современным между-
народным требованиям. Теперь базой решения многих вопросов
стандартизации, сертификации, а также лицензирования стали
техническое регулирование и технические регламенты, а также
подтверждение соответствия продукции и услуг. Введение техни-
ческих регламентов в ранг государственного регулирования для
выполнения обязательных норм вместо привычных стандартов по-
зволяет уровнять состояние отечественной стандартизации с меж-
дународной. Это происходит за счет рекомендательного характера
использования любых стандартов при применении технических
регламентов, которые могут использовать их отдельные нормы
и положения. Стандарты остаются как нормативная база и будут
разрабатываться, но никто не сможет использовать их в качестве
основного регулятора взаимоотношений между производителем
и потребителем.
Под техническим регулированием понимается правовое регу-
лирование отношений в области установления, применения и ис-
полнения обязательных требований к продукции, процессам про-
изводства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и ути-
лизации. При техническом регулировании на добровольной основе
устанавливаются и применяются требования к продукции, упомя-
нутым процессам, выполнению работ или оказанию услуг, а так-
же осуществляется правовое регулирование отношений в области
оценки их соответствия.
Технический регламент — документ, который устанавливает
обязательные для применения и исполнения требования к объ-
ектам технического регулирования. Технический регламент уста-
навливается федеральным законом, или указом Президента РФ,
или постановлением Правительства РФ, а также международным
договором Российской Федерации, ратифицированным в порядке,
установленном законодательством Российской Федерации. Техни-
ческое регулирование осуществляется на основе единых правил
304
и соответствия уровню развития национальной экономики, разви-
тия материально-технической базы, а также уровню научно-техни-
ческого развития.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Каково назначение Федерального закона «О техническом регу-
лировании»?
2. Перечислите принципы технического регулирования и назначе-
ния каждого из них.
3. Охарактеризуйте понятие, виды и содержание технических ре-
гламентов.
4. Расскажите о порядке разработки и принятии технического ре-
гламента.
5. Дайте определение технического регулирования.
6. Для чего предназначены методические рекомендации по раз-
работке общих и специальных технических регламентов?
Глава 12
ПОГРЕШНОСТИ, СРЕДСТВА
И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ. ВЫБОР
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ. КОНТРОЛЬ
КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
12.1.
ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Степень приближения результата измерения к истинному зна-
чению определяется размером погрешности (разностью между по-
лученным при измерении и истинным значениями величины), т. е.
качество измерений характеризуется их погрешностями.
Поскольку истинное значение измеряемой величины остается
неизвестным, неизвестны также и погрешности измерения. Поэто-
му для определения размеров погрешностей используется условно-
истинное значение физической величины, полученное, как прави-
ло, в результате более точных измерений или другими методами.
Единицы физических величин воспроизводятся с высокой точно-
стью с помощью государственных первичных эталонов и переда-
ются «вниз» эталонным средствам измерений, а от них — рабочим
средствам измерений с некоторой потерей точности на каждой
ступени передачи (при каждой поверке). При этом значение вели-
чины, воспроизводимой эталонным средством измерения при по-
верке, всегда принимается в качестве условно-истинного значения
величины и по нему оценивается погрешность поверяемого сред-
ства измерений.
Изучение причин возникновения погрешностей и уменьше-
ние размеров погрешностей — одна из главных задач практиче-
ской метрологии, поэтому понятие «погрешность» является одним
из основных в метрологии.
306
12.2.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ИЗМЕРЕНИЙ
В зависимости от причин и места возникновения погрешности
подразделяются на следующие группы: инструментальные, методи-
ческие, субъективные.
Инструментальная погрешность — это погрешность приме-
няемого средства измерения. Если применяется стандартное сред-
ство измерения (СИ), прошедшее поверку, то интервал, в котором
находится эта погрешность, известен с заданной вероятностью.
Методическая погрешность обусловлена несовершенством
применяемого метода измерения. На ее величину оказывают вли-
яние несовершенство принятой измерительной модели, способ
применения измерительного средства, алгоритмы, по которым
вычисляют результат измерения и другие факторы, не связанные
со свойствами применяемого измерительного средства. Методиче-
ская погрешность не может быть указана в нормативно-техниче-
ской документации на используемое средство измерений, так как
от него не зависит, и должна определяться в каждом конкретном
случае путем специальных исследований (анализа измерительной
схемы).
Несовершенство применяемого метода измерений (неправиль-
ная оценка возникающей методической погрешности) неоднократ-
но приводило к ошибочным выводам при проведении научно-ис-
следовательских работ. Например, для оценки внутренних напря-
жений в твердеющем бетоне использовали мембранные датчики
с деформативностью, в несколько раз превышающей деформатив-
ность бетона. В результате фактически измеряли не наибольшее
внутреннее давление, а остаточное давление на контакте с мембра-
ной после ее деформации.
Субъективная погрешность (погрешность оператора) обу-
словлена недостаточной квалификацией или индивидуальными
особенностями оператора, выполняющего измерения, и связана
с тщательностью выполнения правил всех измерительных опера-
ций. Эта погрешность не всегда поддается правильной оценке.
В отдельную группу выделяют погрешности, обусловленные
влиянием внешних условий. Температура, влажность, давление
и другие факторы влияют на размеры инструментальной и методи-
ческой погрешностей. При этом дополнительная инструментальная
погрешность, вызываемая отклонением от нормальных условий ка-
кого-либо влияющего фактора, может быть указана в метрологиче-
307
ских характеристиках средств измерений (в дополнение к основ-
ной, определяемой при нормальных условиях). Влияние внешних
факторов на методическую погрешность следует оценивать отдель-
но в каждом конкретном случае. Для большинства видов измере-
ний наиболее полно изучено и поддается учету при определении
погрешностей влияние температуры окружающей среды. Погреш-
ности внешних условий по характеру проявления являются систе-
матическими.
Под влиянием совокупности всех действующих факторов, в том
числе внешних, складывается суммарная погрешность измерения.
Влияние каждого фактора может исследоваться отдельно,
но удобно для исследования и оценки погрешностей подразделять
суммарную погрешность на две составляющие: случайную и систе-
матическую, принципиально отличающиеся по характеру проявле-
ния и требующие применения различных способов для их обнару-
жения, оценки и учета.
Случайная погрешность — составляющая погрешности изме-
рения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению)
в серии повторных измерений одного и того же размера физиче-
ской величины, проведенных с одинаковой тщательностью в одних
и тех же условиях. В появлениях таких погрешностей не наблю-
дается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при по-
вторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого
разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неиз-
бежны, неустранимы и всегда присутствуют в результатах измере-
ний. Описание случайных погрешностей возможно только на осно-
ве теории вероятностей и математической статистики.
В отличие от систематических случайные погрешности нельзя
исключить из результатов измерений путем введения поправок,
однако их можно существенно уменьшить путем увеличения чис-
ла измерений, поскольку среднее арифметическое значение х при
этом стремится к истинному значению измеряемой величины Q.
Систематическая погрешность — составляющая погрешно-
сти измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняю-
щаяся при повторных измерениях одной и той же физической ве-
личины. Систематическая погрешность, как правило, не изменяет-
ся при многократных измерениях и может быть почти полностью
устранена путем обнаружения и устранения причины, по которой
она возникла, или путем введения поправки (Асист = х - О).
Приведенные рассуждения немного упрощены, так как система-
тическая погрешность содержит также некоторый элемент случай-
ности и в некоторой степени обладает свойствами случайной вели-
308
чины. На этом основании предложено считать систематическую
погрешность специфической, «выраженной» случайной величи-
ной, Она может также изменяться при многократных измерениях,
когда фактор времени или нестабильность измерительной системы
вносит заметное изменение в систему.
Следует считать, что ряд систематических по своей природе
погрешностей присутствует при измерениях в скрытом виде (они
не обнаружены или не изучены), поэтому не всегда удается четко
разделить погрешности на систематические и случайные. Часть си-
стематических погрешностей, трудно поддающихся учету, причис-
ляют к случайным. Чем больше результаты измерения искажены
неучтенными систематическими погрешностями, тем труднее они
поддаются математической обработке. В определенной мере это
объясняет те дискуссии, которые ведутся в последние годы вокруг
нового понятия «неопределенность измерений».
При измерениях могут появляться также очень большие — гру-
бые — погрешности (промахи), которые возникают, как правило,
из-за ошибок или неправильных действий оператора, а также из-
за кратковременных отказов или сбоев в работе измерительных
приборов и других резких изменений условий проведения измере-
ний. Грубые погрешности обнаруживают и отбрасывают непосред-
ственно в процессе измерений или при математической обработке
результатов измерений с использованием специальных критериев.
Рассмотрим правила округления результатов измерений. По-
грешность результата измерения физической величины дает пред-
ставление о том, какие последние цифры в его числовом значении
являются сомнительными. Поэтому нет смысла выражать погреш-
ность более чем одной или двумя цифрами. В соответствии с уста-
новленными правилами погрешность выражается двумя значащи-
ми цифрами, если первая из них 1 или 2, и одной — начиная с циф-
ры 3.
Числовое значение результата измерения также следует окру-
глять в соответствии с числовым разрядом значащей цифры погреш-
ности, т.е. числовое значение результата измерения должно окан-
чиваться цифрой того же разряда или тем же десятичным знаком,
которым оканчивается значение абсолютной погрешности. При
этом если старшая отбрасываемая цифра меньше 5, то предыдущая
не изменяется. Если старшая отбрасываемая цифра больше или рав-
на 5, но за ней имеются значащие цифры, то предыдущую (оставля-
емую) цифру увеличивают на единицу. Если отбрасываемая цифра
5 не имеет за собой значащих цифр, то предыдущая не изменяется,
если она четная, и увеличивается на единицу, если она нечетная.
309
Например, при погрешности + 0,01 приведенные результаты
округляются следующим образом:
1,214 — 1,21;
1,2151 — 1,22;
1,215—1,22;
1,225— 1,22.
Следует осмотрительно относиться к округлениям, производи-
мым в процессе вычислений. Рекомендуется производить округле-
ния в окончательном ответе, а вычисление производить с одним-
двумя лишними знаками.
СПОСОБЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И УСТРАНЕНИЯ
СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
12.3.
Группы погрешностей (инструментальные, методические, субъ-
ективные) при своем проявлении могут содержать случайную и си-
стематическую составляющие, поэтому при анализе причин возник-
новения систематических погрешностей выделяют эти же группы
погрешностей с добавлением четвертой группы — «погрешности
внешних влияний». Методические погрешности подразделяются
при этом на теоретические (погрешности измерительной модели,
или погрешности метода) и практические (погрешности установки
прибора и т.п.).
Главные источники систематических погрешностей в большин-
стве областей измерений известны, и разработаны методы, позволя-
ющие их устранить до начала измерения или, если это невозможно,
определить поправку для внесения в результат измерения. Примеры
факторов, влияющих на возникновение инструментальных погреш-
ностей: неравноплечесть весов, погрешность градуировки шкалы
прибора или штриховых мер длины, погрешность установки нуля,
отклонение от номинального значения массы гири, а также раз-
личного рода перекосы, искривления, люфты, зазоры, отклонения
от номинальных размеров отдельных деталей, допустимые при из-
готовлении измерительных средств. Например, при изготовлении
оптико-механических приборов для измерения длины экономиче-
ски нецелесообразно ужесточать допуски на отдельные детали опти-
ческих систем и после сборки каждого прибора (или после ремонта)
производится юстировка отдельных узлов и всего прибора в целом.
Юстировка средств измерений — комплекс операций по дове-
дению инструментальных погрешностей до значений, соответству-
ющих техническим требованиям.
310
Инструментальные погрешности возрастают, как правило, при
увеличении срока службы измерительных средств. При этом уве-
личение погрешностей до значений, в два — четыре раза превы-
шающих допустимые значения, может долгое время оставаться
незамеченным. Особенно это опасно в эталонных средствах из-
мерений, используемых для поверки рабочих СИ. Следователь-
но, необходимо назначать разумный межповерочный интервал
с учетом условий и интенсивности эксплуатации измерительных
средств.
Теоретические погрешности — соответствие, корректность из-
мерительной модели исследуемому объекту, использование упро-
щений или допущения при вычислении результатов измерений.
Примеры. 1. При определении площади прямоугольника не всег-
да достаточно измерить две его стороны. В зависимости от допусти-
мой погрешности измерения должны или не должны контролиро-
ваться углы, равенство диагоналей, равенство противоположных
сторон, прямолинейность сторон, неплоскостность.
2. При определении прочности бетона неразрушающими мето-
дами с использованием эмпирических зависимостей (например,
скорость ультразвука — прочность) систематическая погрешность
метода, как правило, значительно превышает допустимую, если
не произведено уточнение цены деления прибора путем предвари-
тельных испытаний, позволяющих учесть вид заполнителей и осо-
бенности состава бетона.
3. При изготовлении бетонных смесей необходимо оператив-
но корректировать дозировку воды в зависимости от влажности
используемого песка. Применяемые для этой цели электрические
и электронные влагомеры, в основе которых лежит зависимость
электрических параметров от влажности материала, имеют по-
грешность, обусловленную тем, что на данные электрические пара-
метры помимо влажности влияет также и гранулометрия песка.
4. При измерении электрического сопротивления при помощи
амперметра и вольтметра на основе закона Ома вносится систе-
матическая погрешность, зависящая от сопротивлений ампер-
метра и вольтметра. При точных измерениях эти сопротивления
должны быть известны для расчета поправок к результатам из-
мерений.
Практические погрешности — это погрешности установки
прибора и погрешность оператора.
Погрешности установки прибора — отклонения от горизонтали
или вертикали при установке весов, геодезических приборов и др.;
несогласованность характеристик отдельных приборов, входящих
311
в измерительный комплекс; неправильность установки прибора,
вызывающая устойчивый параллакс при отсчете по шкале, и др.
Неправильность установки прибора — наиболее частая причина
неучтенных погрешностей при линейно-угловых измерениях с по-
мощью линейки, метра, рулетки, угольника, штангенциркуля. Рас-
смотренные теоретические погрешности и погрешности установки
во многом сходны и по существу являются методическими. Вместе
с тем приведенные причины погрешностей при линейно-угловых
измерениях можно отнести к субъективным.
Погрешность оператора (субъективная) — запаздывание при
регистрации измерительного сигнала, низкая точность отсчета
по шкале, приложение недостаточных или избыточных физических
усилий при выполнении измерений, неправильный выбор пози-
ции, приводящей к параллаксу при отсчете по шкале. Вызываемые
этими факторами погрешности могут носить как систематический,
так и случайный характер.
Пример, Опытному механику, молодому инженеру и начинаю-
щему слесарю предложили на штангенциркуле с нониусом с це-
ной деления 0,02 мм установить заданное значение. Правильность
установки определяли более точным прибором. Опыт повторяли
100 раз. Оказалось, что погрешность установки у инженера и на-
чинающего слесаря носила чисто случайный характер при большей
сходимости у инженера, а у опытного механика при самой высо-
кой сходимости результатов имела место систематическая погреш-
ность, т.е. большинство его результатов (среднее арифметическое)
отличалось от условно-истинного значения, которое было задано.
Приведенный пример можно интерпретировать как исследова-
ния по выявлению субъективной систематической погрешности,
обусловленной укоренившимся неверным навыком.
Погрешности внешних влияний легко учитываются, если фак-
тор влияния хорошо изучен и постоянно контролируется. В боль-
шинстве областей измерений известны главные внешние источни-
ки систематических погрешностей и разработаны методы, исклю-
чающие их возникновение или устраняющие их влияние на резуль-
тат измерения. Однако влияние некоторых факторов (магнитные
и электрические поля, ионизирующие излучения, изменения ат-
мосферного давления и др.) может оставаться незамеченным опе-
ратором или недооцениваться, особенно в тех случаях, когда влия-
ние непрерывно и систематическая погрешность остается постоян-
ной в процессе измерений.
Используются следующие пути учета и исключения системати-
ческих погрешностей от внешних воздействий:
312
1) устранение источников погрешностей или обеспечение защи-
ты от них до начала измерений. Например, для устранения влияния
температуры применяются термостатирование или кондициони-
рование. Для устранения влияния магнитных полей применяются
различного рода экраны. Влияние вибраций устраняют путем амор-
тизации; влияние изменения влажности — герметизацией;
2) исключение погрешностей в процессе измерения специаль-
ными методами или вычисление и внесение в результат измерения
соответствующих поправок. При этом используются методы заме-
щения, противопоставления, симметричных наблюдений и специ-
альные статистические методы.
Метод замещения представляет собой разновидность метода
сравнения, когда сравнение осуществляется заменой измеряемой
величины известной величиной, причем так, чтобы в состоянии
и действии всех используемых средств измерений не происходило
никаких изменений. Для реализации метода необходимо иметь ре-
гулируемую меру.
Например, при взвешивании по методу Борда, усовершенство-
ванному Д. И. Менделеевым, на чашку весов, предназначенную для
взвешивания массы, устанавливают полный комплект гирь и урав-
новешивают весы произвольным грузом. Затем на чашку с гиря-
ми помещают взвешиваемую массу и снимают часть гирь для вос-
становления равновесия. Суммарное значение массы снятых гирь
равно значению взвешиваемой массы. Такой вариант метода за-
мещения позволяет не только исключить погрешность от неравно-
плечести весов, но и сохранить неизменной их чувствительность
при взвешивании различных масс. Метод замещения применяют
также при измерении электрического сопротивления при помощи
моста и мер сопротивления; измерении силы света при помощи
фотометра и эталонных ламп и т. п.
Метод противопоставления является также разновидностью
метода сравнения, при котором измерение производится дважды
и проводится так, чтобы причина, вызывающая погрешность, оказы-
вала противоположное действие при первом и втором измерениях.
Для определения погрешности от неравноплечести весов при
взвешивании этим методом массу т взвешивают два раза, меняя
ее местами с гирями. Исправленное значение массы (с учетом по-
грешности) определяется по формуле
т = у]тгт2,
где mt, ni2 — значения, полученные при первом и втором взвешива-
ниях.
313
Этим методом определяется одновременно и отношение плеч
которое используется в дальнейшем при обычном взвешивании
в качестве поправочного коэффициента.
Для обнаружения и устранения переменных и монотонно изме-
няющихся систематических погрешностей производится их анализ
с помощью графического изображения предполагаемой законо-
мерности путем соединения плавной кривой ряда точек — значе-
ний результатов измерений.
Метод симметричных наблюдений используется для исклю-
чения прогрессивной систематической погрешности, являющейся
линейной функцией времени (или другой величины). При выпол-
нении ряда измерений в этом случае пользуются тем, что среднее
значение погрешностей любой пары симметричных измерений
равно погрешности среднего измерения в данном ряду (например,
выполнено пять измерений через равные промежутки времени
(равные интервалы изменения другой величины)).
Специальные статистические методы включают в себя ме-
тод последовательных разностей, дисперсионный анализ и др.
12.4.
СЛУЧАЙНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ
Факторы, определяющие возникновение случайных погрешно-
стей, проявляются нерегулярно, в различных комбинациях и с ин-
тенсивностью, которую трудно предвидеть. Случайная погрешность
случайно изменяется при повторных измерениях одной и той же
физической величины. Однако если оперировать исправленными
результатами измерений, т. е. такими, из которых исключены си-
стематические погрешности, то чисто случайные погрешности бу-
дут обладать следующими свойствами:
равные по абсолютной величине положительные и отрицатель-
ные погрешности равновероятны;
большие погрешности наблюдаются реже, чем малые;
с увеличением числа измерений одной и той же величины сред-
нее арифметическое погрешностей стремится к нулю и, следо-
вательно, среднее арифметическое результатов измерений стре-
мится к истинному значению измеряемой величины.
Фактическое значение случайной погрешности, полученное при
поверке средства измерения, не характеризует его точности. Для
314
оценки интервала значений погрешностей и вероятности появле-
ния определенных значений необходимы многократные измерения
и использование математического аппарата теории вероятностей.
Наиболее универсальный способ описания случайных величин
заключается в нахождении их интегральных или дифференциаль-
ных функций распределения.
Интегральной функцией распределения Е(х) называется функ-
ция, значение которой для каждого х является вероятностью появ-
ления значений х, меньших или равных х:
F(x) = Р{х, < х} = Р{-р0 < xi( < х},
где Р — символ вероятности события, описание которого заключе-
но в фигурных скобках.
Обычно график интегральной функции распределения результа-
тов наблюдений представляет собой непрерывную неубывающую
кривую, начинающуюся от нуля на отрицательной бесконечности
и асимптотически приближающуюся к единице при увеличении
аргумента до плюс бесконечности.
Если интегральная функция имеет точку перегиба при значении
х, близком к истинному значению измеряемой величины, и прини-
мает в этой точке значение, равное 0,5, то говорят о симметрично-
сти распределения результатов.
Болес наглядным является описание свойств результатов наблю-
дений, содержащих случайные погрешности, с помощью диффе-
ренциальной функции распределения, иначе называемой плотно-
стью распределения вероятностей.
РАСЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ПРЯМЫХ
И КОСВЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ
12.5.
Для расчета погрешностей при прямых измерениях используют
понятие наиболее вероятной погрешности:
у,,., = ^ИОО.
Значение ДАтах определяется исходя из Аном и ул — класса точ-
ности прибора, используемого при измерении и его номинального
значения:
А
да = v тт°м
315
При косвенных измерениях учитываются погрешности всех
приборов, участвующих в измерении, и формула, по которой рас-
считывается конечный результат:
а) при расчете конечного результата по формуле А = по-
грешность рассчитывается по формуле
б) при расчете по формуле А = В + С
[лдщлс]
в + с
в) при расчете по формуле А = В - С
[ЛВЩДС]^
ГА в-с
Точность измерений — качество измерений, отражающее бли-
зость их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Количественным выражением качественного понятия «точ-
ность» является погрешность, Следует различать погрешность ре-
зультата измерения и погрешность инструмента.
Погрешность результата измерения. Истинное значение изме-
ряемой величины принципиально не может быть найдено. Поэтому
и реальное {истинное) значение погрешности результата измере-
ния определить невозможно. Вполне достаточно оперировать оцен-
кой (приблизительным значением измеряемой величины) и диапа-
зоном возможных значений погрешности.
Способ выражения погрешности. Абсолютная погрешность
А (дельта) — разность между измеренным X и истинным Хисг (или
действительным Хд, т.е. полученным более точным прибором) зна-
чениями измеряемой величины.
Относительная погрешность 6 (дельта малая) — отношение аб-
солютной погрешности к действительному Хд (или измеренному X)
значению, выраженное в процентах.
Погрешности подразделяются:
на аддитивные, значения которых не выходят за рамки незави-
сящего от значения измеряемой величины X коридора;
мультипликативные, значения которых не выходят за рамки ли-
нейно зависящего от значения измеряемой величины X кори-
дора;
нелинейности (линейности).
Как правило, определяющей составляющей в суммарной по-
грешности результата измерения является погрешность собствен-
но инструмента.
316
Классы точности средств измерений. Класс точности — это
обобщенная метрологическая характеристика средства измерения,
определяемая предельными значениями допустимых основной
и дополнительных погрешностей.
Классы точности СИ могут задаваться по-разному (в соответ-
ствии с ГОСТ 8.401—80). Классы точности простых измерительных
приборов невысокой точности задаются пределом основной приве-
денной погрешности.
Приборы и методы электрических измерений. Необходимо изу-
чить механизмы и измерительные цепи электромеханических при-
боров; знать:
принципы действия различных электромеханических приборов
на базе измерительных механизмов, условные обозначения, на-
носимые на приборы, а также уметь составлять измерительные
цепи, по условным обозначениям определять возможности при-
боров;
измерительные механизмы магнитоэлектрической, электромаг-
нитной, электродинамической, ферродинамической, электро-
статической, индукционной систем;
общий принцип создания различных электроизмерительных
приборов на базе измерительных механизмов;
принципы действия электромеханических приборов; электри-
ческие цепи измерительных приборов (вольтметров, ампермет-
ров, ваттметров);
условные обозначения, наносимые на приборы.
Приборы и методы измерений непосредственной оценки. Кос-
венные методы измерений.
По своей величине сопротивления подразделяются на три группы:
1) малые сопротивления от 1 Ом и меньше;
2} средние сопротивления от 1 Ом до 0,1 МОм;
3) большие сопротивления от 0,1 МОм и выше.
При измерении малых сопротивлений на результат измерения
влияют сопротивления измерительных проводов, контактов и кон-
тактные термоЭДС.
При измерении больших сопротивлений необходимо учитывать
влияние температуры, влажности и т. д.
Особенности измерения малых и больших сопротивлений. При
измерении малых сопротивлений возможны влияния сопротивле-
ний соединительных проводов и переходных сопротивлений кон-
тактов на результат измерения.
Переходным сопротивлением, или сопротивлением на контак-
тах, называется сопротивление, которое встречает ток при пере-
317
ходе с одного проводника на другой. Оно зависит от состояния по-
верхности (шероховатая, гладкая, чистая, грязная, силы нажатия
и т.д.).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите причины возникновения погрешностей.
2. Как классифицируются погрешности?
3. Каковы правила округления результата измерения?
4. Как устраняют источники погрешностей?
5. Как осуществляют расчет погрешностей при измерениях?
Приложение
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМЫХ НОРМАТИВНО-
ТЕХНИЧЕСКИХ ДОКУМЕНТОВ
Стандарты Государственной системы измерений
ГСССД 1—87. Фундаментальные физические константы.
ГОСТ Р 8.000—2000. ГСИ. Основные положения.
ГОСТ 8.057—80 ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Основные
положения.
ГОСТ 8.315—97 ГСИ. Стандартные образцы состава и свойств веществ
и материалов.
ГОСТ 8.417—2002 ГСИ. Единицы величин.
ГОСТ Р 8.563—96 ГСИ. Методика выполнения измерений.
ГОСТ Р 8.565—96 ГСИ. Метрологическое обеспечение эксплуатации
атомных станций. Основные положения.
ГОСТ Р 8.596—2002 ГСИ. Метрологическое обеспечение измеритель-
ных систем. Основные положения.
ГОСТ Р ИСО 5725—2002 (части 1... 6). Точность (правильность и преци-
зионность) методов и результатов измерений.
РМГ 43—2001 ГСИ. Применение руководства по выражению неопреде-
ленности измерений.
ГОСТ 8.381—80 ГСИ. Эталоны. Способы выражения погрешностей.
ГОСТ 8.157—75 ГСИ. Шкалы температурные практические.
ГОСТ 8.009—84 ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики
средств измерений.
ГОСТ 8.256—77 ГСИ. Нормирование и определение динамических ха-
рактеристик аналоговых средств измерений.
ГОСТ 8.401—80 ГСИ. Классы точности средств измерений.
ГОСТ 8.207—76 ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюде-
ниями. Методы обработки результатов наблюдений.
ГОСТ Р 8.563—96 ГСИ. Методики выполнения измерений.
ГОСТ Р 50779.21—96. Статистические методы. Правила определения
и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным.
Часть 1. Нормальные распределения.
РМГ 29—99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.
ГОСТ 8.050—73 ГСИ. Нормальные условия выполнения линейных
и угловых измерений.
319
ГОСТ 8.051—81 ГСИ. Погрешности, допускаемые при измерении ли-
нейных размеров до 500 мм.
ГОСТ 14004—68, Весы рычажные общего назначения. Пределы взве-
шиваний. Нормы точности.
ГОСТ 8.567—99 ГСИ. Измерения времени и частоты. Термины и опре-
деления.
ГОСТ Р 51070—97. Измерители напряженности электрического и маг-
нитного полей. Общие технические требования и методы испытаний.
ГОСТ 1.1—2002 МГСС. Термины и определения.
Стандарты ЕСКД
Единая система конструкторской документации : Основные положе-
ния . ГОСТ 2.001—93... ГОСТ 2.125—85.
Единая система конструкторской документации : Правила выполнения
чертежей различных деталей. ГОСТ 2.301—68... ГОСТ 2.321—84.
Единая система конструкторской документации : ГОСТ 2.412—81...
ГОСТ 2.420—84.
Единая система конструкторской документации : Правила выполнения
схем. ГОСТ2.701—84...ГОСТ2.711—82.
Единая система конструкторской документации : Обозначения услов-
ные в схемах. ГОСТ 2.782—96... ГОСТ 2.797—81.
Основные нормы взаимозаменяемости. Допуски и посадки : сборник
стандартов. Метрические резьбы : сборник стандартов.
Стандарты СИБИД
ГОСТ 7.1—2003. Библиографическая запись. Библиографическое опи-
сание. Общие требования и правила составления. — СИБИД.
ГОСТ 7.60—2003. Издания. Основные виды. Термины и определения. —
СИБИД.
ГОСТ 7.32—2001. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура
и правила оформления. — СИБИД.
ГОСТ 7.54—88. Представление численных данных о свойствах веществ
и материалов в научно-технических документах. Общие требования. —
СИБИД.
ГОСТ 7.70—2003. Описание баз данных и машиночитаемых информа-
ционных массивов. Состав и обозначение характеристик. — СИБИД.
ГОСТ 7.83—2001. Электронные издания. Основные виды и выходные
данные, — СИБИД.
ГОСТ Р ИСО 5725—2002 (части 1... 6). Точность (правильность и преци-
зионность) методов и результатов измерений.
РМГ 43—2001. ГСИ. Применение руководства по выражению неопре-
деленности измерений.
320
Стандарты ЕСПД
ГОСТ 19.001—77. ЕСПД. Общие положения.
ГОСТ 19.701—90 (ИСО 5807—85). ЕСПД. Схемы алгоритмов, программ,
данных и систем. Обозначения условные и правила выполнения.
Стандарты по информационным технологиям
Информационная технология. Автоматизированные системы. Основ-
ные положения. В сборник стандартов включены стандарты группы 24 —
Единой системы стандартов автоматизированной системы управления
и 34 —Информационные технологии.
Стандарты серии ГОСТ ИСО—10303. Системы автоматизации произ-
водства и их интеграция. Представление данных об изделии и обмен этими
данными.
ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 12 182—2002. Информационная технология.
Классификация программных средств.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 12 207—99. Информационная технология. Процес-
сы жизненного цикла программных средств.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 15 408—2002 (части 1 ...3). Информационная техно-
логия. Методы и средства обеспечения безопасности. Критерии оценки
безопасности информационных технологий.
ГОСТ 27 459—87. Системы обработки информации. Машинная графи-
ка. Термины и определения.
ГОСТ Р 50 922—96. Защита информации. Основные термины и опреде-
ления.
ГОСТ Р 51 275—99. Защита информации. Объект информатизации.
Факторы, воздействующие на информацию. Общие положения.
ГОСТ Р 51 897—2002. Менеджмент риска. Термины и определения.
Стандарты научно-технической среды
ГОСТ Р ИСО 9000—2001. Системы менеджментов качества : основные
положения и словари.
Надежность в технике : ссборник стандартов группы 27.
ГОСТ 7427—76. Геометрическая оп тика. Термины и определения и бук-
венные обозначения.
ГОСТ 7601—78. Физическая оптика. Термины, буквенные обозначения
и определение основных величин.
ГОСТ 15093—90. Лазеры и устройства управления лазерным излучени-
ем. Термины и определения.
ГОСТ 17021—88. Микросхемы интегральные. Термины и определе-
ния.
321
ГОСТ 17137—87. Системы контроля, управления и защиты ядерных ре-
акторов. Термины и определения.
ГОСТ 22491—87. Ускорители заряженных частиц. Термины и определе-
ния.
ГОСТ 22574—77. Материалы ядерные делимые. Термины и определе-
ния.
ГОСТ 22705—77. Техника радиационная. Термины и определения.
ГОСТ 23082—78. Реакторы ядерные. Термины и определения.
ГОСТ Р 50088—92. Реакторы ядерные водо-водяные энергетические
ВВЭР. Общие требования к проведению физических расчетов.
ГОСТ Р 50996—98. Сбор, хранение, переработка и захоронение радио-
активных отходов. Термины и определения.
ГОСТ Р 51086—97. Датчики и преобразователи физических величин
электронные. Термины и определения.
ГОСТ Р 51170—98. Качество служебной информации. Термины и опре-
деления.
Р 50.1.040—2002. Статистические методы. Планирование эксперимен-
та. Термины и определения.
Список ЛИТЕРАТУРЫ
Акимова Н.А, Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт электриче-
ского и электромеханического оборудования / Н. А, Акимова, Н.Ф.Котеле-
нец, Н, И, Сентюрихин. — М.: Мастерство, 2001 -
Александровская А. Н. Автоматика / А. Н. Александровская. — М. : Изд.
центр «Академия», 2011.
Девочкин Ю. В. Электрические аппараты / [Ю. В. Девочкин, В. В. Лохнин,
Р. В. Меркулов и др.]. — М.: Изд. центр «Академия», 2010.
Москаленко В. В. Автоматизированный электропривод / В. В. Москален-
ко. — М.: Энергоатомиздат, 1986.
Новак Ю.А. Основные виды промышленного электрооборудования
и приборов / Ю.А. Новак. — М.: Высш, шк., 1988.
Шеховцов В. П. Электрическое и электромеханическое оборудование /
В. П. Шеховцов. — М.: Форум : И НФ РА-М, 2004.
Оглавление
Введение......................................................4
РАЗДЕЛ I. КОНСТРУКЦИЯ, ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ,
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И СХЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ ИМИ
Глава 1. Электрооборудование установок и объектов различных
типов.........................................................8
1.1. Общие сведения об электротехнологических установках
и оборудовании, их классификация..........................8
1.2. Электротермические установки........................10
1.3. Электроустановки нагрева сопротивлением............ 11
1.4. Электроустановки индукционного нагрева. Основы индук-
ционного нагрева.........................................15
1.5. Классификация видов термической обработки...........21
1.6. Электроустановки для сварки.........................31
1.7. Вакуумные установки для нанесения тонкопленочных по-
крытий ..................................................36
Глава 2. Основы светотехники............................... 40
2.1. Характеристика света: световой поток, сила света, освещен-
ность, яркость...........................................40
2.2. Источники света и осветительные приборы.............44
2.3. Электрическое освещение.............................55
2.4. Правила и нормы искусственного освещения............56
2.4.1. Общие указания по расчету освещения...........57
2.4.2. Порядок расчета искусственного освещения......65
2.5. Основные методы расчетов освещения..................67
2.5,1. Расчет освещения методом коэффициента
использования светового потока.......................67
324
2.5.2. Приближенный метод расчета по удельной мощности.... 70
2.5.3. Расчет освещения точечным методом............71
2.5.4. Точечный метод расчета освещения
люминесцентными лампами.............................72
2.6. Схемы питания осветительных установок..............72
Глава 3. Автоматизированный электропривод...................80
3.1. Понятие «электропривод»............................80
3.2. Функции электропривода.............................84
3.3. Классификация электроприводов......................89
3.4. Механика электропривода............................91
3.5. Общие принципы построения систем управления электро-
приводами ..............................................99
3.6. Электропривод с двигателями постоянного тока......104
3.6.1. Схема включения и статические характеристики
двигателя постоянного тока независимого
возбуждения........................................105
3.6.2. Энергетические режимы работы двигателя
постоянного тока независимого возбуждения..........108
3.7. Электропривод с асинхронными двигателями..........110
3.7.1. Схема включения, статические характеристики
и режимы работы асинхронного двигателя.............111
3.8. Электроприводы с синхронными двигателями..........112
3.8.1. Схема включения, статические характеристики
и режимы работы синхронного двигателя..............113
3.8.2. Регулирование скорости и торможение синхронного
двигателя..........................................117
3.8.3. Электропривод с вентильным двигателем.......118
3.8.4. Синхронный двигатель как компенсатор реактивной
мощности...........................................121
3.8.5. Общие принципы управления СД................122
3.9. Электроприводы со специальными свойствами и характери-
стиками................................................124
3.9.1. Применение в электроприводах двигателей
с расширенными регулировочными свойствами...........124
3.9.2. Электропривод с линейными электродвигателями.126
3.9.3. Следящий электропривод.................... 130
3.9.4. Электропривод с программным управлением.....131
325
3,9.5. Электропривод с адаптивным управлением.......132
3.10. Расчет мощности, выбор электродвигателей и проверка
их по нагреву............................................136
3.11. Примеры схем управления электроприводом............144
Глава 4. Автоматика.........................................152
4.1. Понятие об автоматизации производственных процессов.152
4.2. Классификация автоматизации по выполняемым функциям .. 153
4.3. Основные сведения об элементах автоматики..........157
4.4. Статический режим работы элементов автоматики......158
4.5. Динамический режим работы элементов автоматики. Дина-
мические характеристики и параметры.....................161
4.6. Классификация датчиков сигнала.....................164
4.7. Устройство и принцип работы датчика................164
4.8. Основные параметры и характеристики электрических дат-
чиков ..................................................165
4.9. Принцип работы и основные параметры электрических
параметрических и генераторных датчиков.................166
4.10. Классификация исполнительных механизмов автоматиче-
ских средств управления..................................169
4.11. Назначение, классификация и структурные схемы систем
автоматического контроля и сигнализации технологического
процесса............................................... 172
4.12. Принцип действия систем технологического контроля...174
4.13. Классификация систем автоматического управления.....176
4.14. Основные тенденции развития автоматизированного
электропривода...........................................180
Глава 5. Электрооборудование и электрические схемы
обрабатывающих установок....................................184
5.1. Основные и вспомогательные движения в станках, кинема-
тические схемы..........................................184
5.2. Выбор типа электропривода основных движений станков.185
5.3. Выбор электродвигателей для станков по форме исполнения.. 189
5.4. Выбор системы автоматизации станков................190
5.5. Общие сведения о металлообрабатывающих станках......191
326
5.6. Электрооборудование обрабатывающих установок.......195
5.7. Назначение, классификация, обозначение и основные кон-
структивные особенности металлорежущих станков и дере-
вообрабатывающих установок............................196
5.8. Режимы работы и энергетика электроприводов станков.202
5.9. Примеры типов станков..............................203
Глава 6. Электрооборудование общепромышленных машин
и установок..............................................211
6.1. Классификация общепромышленных установок...........211
6.2. Общепромышленные механизмы циклического действия...214
6.3, Общепромышленные механизмы непрерывного действия...225
6.4. Общепромышленные механизмы.........................228
6.5. Подвесные и наземные электротележки................229
6.6. Конвейеры.............,............................231
Глава 7. Электрооборудование компрессоров, вентиляторов
и насосов.........................................235
7.1. Типовые общепромышленные механизмы................235
7.2. Электропривод типовых общепромышленных механизмов
непрерывного действия.................................237
7.3. Вентиляционные установки...........................243
7.4. Компрессорные установки............................244
7.5. Насосные установки.................................246
7.6. Устройство и принцип работы винтового компрессора..248
Глава 8. Электрооборудование подъемно- и поточно-транспортных
систем...................................................254
8.1. Мостовые краны.....................................254
8.2. Электрооборудование поточно-транспортных систем....255
8.3. Механизмы основной технологии......................257
8.4. Технологические схемы поточно-транспортных систем
и требования к системам управления ПТС................258
8.5. Электротехнические требования.....................259
8.6. Определение мощности и выбор двигателей приводов меха-
низмов поточно-транспортных систем....................260
327
РАЗДЕЛ П. ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 9. Эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического
и электромеханического оборудования.................268
9.1. Общие вопросы монтажа, эксплуатации и ремонта электро-
оборудования............................................268
9.2. Транспортирование и хранение оборудования..........269
9.3. Конструктивное исполнение оборудования.............270
9.4. Виды технического обслуживания.....................272
9.5. Виды и причины износов электрического и электромехани-
ческого оборудования....................................273
9.6. Классификация электроустановок, электропомещений
и электрооборудования...................................275
9.7. Классификация помещений с электроустановками.......277
Глава 10. Оценка качества продукции и роль стандартизации
в повышении качества........................................279
10.1. Стандартизация и стандарты. Категории и виды стандартов ... 279
10.2. Основные термины, используемые в стандартизации....280
10.3. Технический регламент..............................280
10,4. Виды нормативно-технических документов в Российской
Федерации...............................................282
10.5. Указатели стандартов...............................284
10.6. Общетехнические системы стандартов.................286
10.7. Стандартизация в области информационных технологий.287
10.8. Метрология.........................................287
10.9. Нормативно-технические документы в библиотечном фонде... 288
Глава 11. Принципы технического регулирования. Законодательство
о техническом регулировании. Технические регламенты.........292
11,1. Общие сведения о Федеральном законе «О техническом
регулировании»..........................................292
11,2. Техническое регулирование..........................294
11.3. Принципы технического регулирования................295
328
11,4, Понятие, виды и содержание технических регламентов....297
11.5. Порядок разработки и принятия технического регламента.300
Глава 12. Погрешности, средства и методы измерений. Выбор
средств измерений. Контроль качества электрического
и электромеханического оборудования..........................306
12.1. Погрешности измерений. Основные понятия............306
12,2, Классификация погрешностей измерений...............307
12.3. Способы обнаружения и устранения систематических по-
грешностей ..............................................310
12.4. Случайные погрешности измерений....................314
12.5. Расчет погрешностей при прямых и косвенных измерениях.,, 315
Приложение. Список рекомендуемых нормативно-технических
документов...................................................319
Список литературы..............................................323
Учебное издание
Александровская Альбина Николаевна,
Гванцеладзе Ирина Александровна
Организация технического обслуживания и ремонта
электрического и электромеханического оборудования
Учебник
Редактор И. В. Мочалова
Компьютерная верстка: Д. В. Федотов
Корректор Г. Н. Петрова
Изд. N« 101116607. Поддисани в печать 29.01.2016. Формат 60x90/16.
Гарнитура «Балтика». Бумага офсетная. Печать офсетная. Уел. печ. л. 21,0.
Тираж 2500 экз. Заказ № М-1428.
ООО «Издательский центр «Академия», www.academia-rnoscow.ru
129085, Москва, пр-т Мира, 101В, стр. 1.
Тел./факс: (495) 648-0507, 616-00-29.
Санитарно-эпидемиологическое заключение № РОСС RU. АЕ51. Н 16679 от 25.05.2015.
Отпечатано в полном соответствии с качеством
предоставленного электронного оригинал-макета
в типографии филиала АО «ТАТМЕДИА» «ПИК «Идея-Пресс».
420066, г. Казань, ул. Декабристов, 2.
E-mail: idelpress@mail.ru
ОРГАНИЗАЦИЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
И РЕМОНТА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ОБОРУДОВАНИЯ
Издательский центр «Академия»
www. academia-moscow. ru