Бесконтактные устройства пуска и торможения электродвигателей

А. В. Клевцов 

Бесконтактные устройства 
пуска и торможения  
электродвигателей 

Учебное пособие 

Инфра-Инженерия 
Москва-Вологда 
2018 

УДК 621.3 
ББК 31 
   К 48 

         Клевцов А. В. 
К 48  Бесконтактные устройства пуска и торможения электро- 
   двигателей. Учебное пособие. / А. В. Клевцов. – М.:  

           Инфра-Инженерия, 2018. – 188 с.  
ISBN 978-5-9729-0200-2 

В связи с интенсивным развитием в последние годы промышленного производства изделий силовой электроники, стало возможным 
создание целой гаммы бесконтактных устройств, обеспечивающих запуск и торможение асинхронных электродвигателей в условиях значительного снижения негативных явлений, присущих использованию 
традиционной электромеханической аппаратуры. 
Как правило, прилагаемые руководства по эксплуатации содержат 
достаточные сведения для подключения, запуска и инициализации 
устройств, но для проведения надлежащего выбора их конфигурации и 
оценки функциональных возможностей применительно к конкретному 
применению, определения режима работы, анализа сбойных и аварийных ситуаций, диагностики и ремонта - этой информации недостаточно. 
Это пособие призвано, в определенной мере, восполнить дефицит регулярной и интегрированной информации по сложившемуся 
направлению в приводной технике, особенно, для той прослойки специалистов, которые заняты проектированием электрооборудования 
технологических комплексов, техническим обслуживанием и ремонтом 
действующего оборудования. Немалая часть книги посвящена описанию принципов работы бесконтактных устройств от простейших коммутаторов нагрузки до достаточно сложных интеллектуальных 
устройств плавного пуска. Подробно затронуты вопросы применения в 
промышленном оборудовании и коммунальной сфере, включая методику выбора и оценки эффективности использования. 
Пособие может быть использовано студентами технических 
университетов при курсовом и дипломном проектировании, а также 
специалистами 
электротехнического 
профиля 
эксплуатационных 
служб предприятий различных отраслей промышленности. 

© Клевцов А. В., автор, 2018 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2018 

ISBN 978-5-9729-0200-2 

ФЗ 
№436-ФЗ 
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11 

От автора 
 
Все упомянутые в настоящем пособии марки являются собственностью их владельцев и использованы без цели 
причинения ущерба их интересам. Печатание, перепечатка, 
использование текста или иллюстраций данного издания 
без письменного разрешения автора и издательства запрещены. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 
В настоящее время в нерегулируемом электроприводе переменного тока широко применяются бесконтактные устройства пуска и торможения электродвигателей, элементной базой 
для построения которых является большой спектр силовых 
управляемых полупроводниковых приборов (тиристоры и симисторы) и различных гибридных модулей на их основе. Их 
использование обозначило устойчивую тенденцию перехода от 
привычной контактной коммутации статорных цепей асинхронных электродвигателей к бесконтактной в целом ряде комплектных приводных устройств. При этом, диапазон функциональных возможностей изделий определяется техническими 
характеристиками от простейших коммутаторов активноиндуктивной нагрузки и до достаточно сложных устройств 
плавного пуска (УПП), наделенных интеллектуальными свойствами. Заметим, что, несмотря на несомненные преимущества 
бесконтактного управления, абсолютизировать его применение 
не стоит, так как в ряде случаев контакторное управление бывает предпочтительней. Но это уже отдельный вопрос, требующий очень детального рассмотрения. 
Чем обусловлено стремление к использованию бесконтактных устройств?! Очевидно, что: 
- практически исключается ограничение на количество 
циклов коммутации, что существенно для приводных 
устройств, работающих в режиме повторно-кратковременного включения / выключения; 
- легко реализуется ограничение пусковых токов и момента электродвигателя, особенно при использовании УПП с 
цифровым управлением и настройкой; 
- при использовании УПП снижается эффект старения 
изоляции обмоток электродвигателя вследствие уменьшения 
теплового и электродинамического воздействия пусковых 
токов; 
- появляется возможность избегать больших пусковых 
токов в местах наличия дефицита мощностей, например, в 
нефтедобывающих районах;  

- достигается существенное уменьшение энергопотребления за счет сокращения непроизводительных затрат в условиях существующих ограничений на количество пусков технологических агрегатов; 
- при применении УПП обеспечивается эффективная 
защита электродвигателей от перегрева, перегрузки и короткого замыкания. 
Следует отметить, что бесконтактные устройства, несмотря на долговечность и надежность, требуют более тщательного и профессионального подхода при проведении различного ряда профилактических и ремонтных работ, связанных 
с эксплуатацией приводных систем. Наиболее это актуально в 
случаях, когда речь идет об использовании УПП, как наиболее 
насыщенных в функциональном отношении устройств, осуществляющих управляемые пуск и торможение мощных приводных электродвигателей. Необходимо учитывать и то, что 
бесконтактные устройства обычно являются основными (образующими) элементами в составе приводных систем, включающих средства технологической электроавтоматики, управления 
режимами и так далее. Как правило, конструктивно это выражается в функционально законченное низковольтное или высоковольтное комплектное устройство, представляющее достаточно сложное изделие, требующее пристального изучения и 
грамотного технического обслуживания.  
Данное издание по существу, является одной из первых 
попыток обобщения информации о структуре и принципах 
построения бесконтактных устройств пуска и торможения 
большей частью асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором, о сложившейся схемотехнике силовых и 
управляющих схем, о тенденциях их совершенствования в 
части поиска более рациональных структур и расширения их 
функциональных возможностей. 
 
 
 
 А. В. Клевцов 
г. Тула, 2017 г.  

ГЛАВА 1
 

О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
УПРАВЛЯЕМЫХ СИЛОВЫХ ПРИБОРОВ В СТАТОРНЫХ  
ЦЕПЯХ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 

 
 
Не затрагивая пока вопроса о структуре силовых цепей 
бесконтактных устройств, отметим, что основными силовыми коммутирующими элементами являются серийно выпускаемые тиристоры и симисторы в сочетании с диодами.  
На рис.1 приведены варианты наиболее распространенных схем однофазных коммутирующих элементов, используемых при построении силовых блоков. 

 
Рис. 1 
 
Схемы коммутирующих элементов (КЭ) (рис.1, а и 
рис.1, б) используются при любой силовой схеме подключения статорных обмоток асинхронных электродвигателей и 
являются основой для построения большинства бесконтактных пусковых устройств. Отличие их в том, что в схеме 
рис.1, а в качестве коммутирующего элемента используется 
симистор, который при синусоидальном токе в нагрузке 
коммутирует две полуволны питающего напряжения, рассеивая тепловую энергию одним корпусом. В схеме рис.1,б на 
каждом из тиристоров выделяется лишь половина мощности, 

обусловленная падением напряжения при поочередном пропускании тока нагрузки в течение 1800. Благодаря этому обстоятельству, в самых современных мощных устройствах, 
включая УПП, обычно используется схема рис.1,б. 
Вариант схемы рис.1,в характерен тем, что через тиристор VS1 протекает полный ток нагрузки, также как в схеме 
рис.1,а. 
Среднее значение тока нагрузки для КЭ (рис.1, а, б, в) 
определяется как: 

н
m
m
н
ср
I
I
wtdt
I
I
9,0
2
sin
1


 


,
(1) 

где: 
Im — амплитудное значение тока нагрузки; 
Iн — действующее значение тока нагрузки. 

Для схем рис.1,а и рис.1,в среднее значение тока 
нагрузки равно среднему значению тока через тиристор (симистор): 

н
с
ср
ср
н
ср
I
I
I
I
9,0




,
(2) 

В схеме рис.1,б средний ток тиристора равен половине среднего значения тока нагрузки, то есть: 

н
н
ср
ср
I
I
I
45
,0
2



,
(3) 

Что касается крайне редко используемой схемы рис.1,г, 
то среднее значение тока тиристора, как и в случае рис.1,б, 
равно:

нI
45
,0
.

Условимся, что при дальнейшем рассмотрении ряда 
особенностей работы КЭ в статорных цепях асинхронного 
двигателя (АД), все рассуждения относятся к наиболее применяемой и классической схеме рис.1,б. 

Очевидно, что включение тиристоров в статорную цепь, 
позволяет в общем случае реализовать две функции управления: 
- производить бесконтактную коммутацию силовой 
цепи, без какого либо ограничения числа циклов включения / 
выключения нагрузки; 
- осуществлять регулирование уровня напряжения на 
обмотках АД. 
Рассмотрим, какие явления сопровождают выполнение 
указанных функций при коммутации и управлении с помощью тиристоров силовой цепью с активно-индуктивной 
нагрузкой соответствующей фазы АД (рис.2,а). Регулирование напряжения на нагрузке позволяет применительно к АД 
получить ряд регулировочных характеристик и обеспечить 
энергоэкономичные пуско-тормозные режимы работы приводного устройства.  
Как известно, изменение напряжения на нагрузке достигается за счет использования фазового управления, которое заключается в изменении угла открывания тиристора α, 
отчет которого производится от момента прохождения фазного питающего напряжения сети через нуль (рис.2,б).  
В данном случае налицо режим параметрического управления АД, при котором варьируется в определенных пределах 
значение приложенного к обмотке статора напряжения, от 
уровня которого зависит вид механических характеристик. 
Задача аналитического определения напряжения, питающего статорную обмотку АД, при современных возможностях аппаратно-программных средств, в настоящее время не 
является проблемной, особенно, если используются такие 
уже общедоступные прикладные программы, как, например, 
пакет Simulink, входящий в состав расширенной версии системы MATLAB. 
Тем не менее, разработка алгоритмов управления и 
программ на их основе для встроенных микроконтроллеров 
бесконтактных устройств опирается в зависимости от назначения и функциональности, на два базовых направления: 

Рис. 2 
 
а) формирование режимов работы АД за счет точной 
установки и последующего формирования необходимого изменения напряжения на статорной обмотке, согласуясь с характеристиками нагрузки. При этом учитывается взаимная 
связь между фазами при непрерывном изменении скольжения, влияющая на характер электромагнитных процессов. Такое 
управление АД в переходных режимах (коммутация, разгон/торможение) связано с решением в реальном времени си

стемы нелинейных дифференциальных управлений, отражающих функционирование системы «бесконтактное устройство – 
асинхронный двигатель»; 
б) управление режимами работы АД на базе упрощенного метода, в основе которого модель работы управляемых силовых приборов на активно-индуктивную нагрузку, которая 
представляется специфической трехфазной активно-индуктивной нагрузкой, когда значения активного и индуктивного 
сопротивлений фазы зависят от частоты вращения ротора. 
Первое направление ранее использовалось только для 
глубокого исследования режимов работы тиристорных преобразователей напряжения (ТПН), но с появлением мощных аппаратно-программных средств (высокопроизводительных микроконтроллеров, промышленных компьютеров, развитого инструментального программного обеспечения и т. д.) стала возможной реализация уточненных алгоритмов управления пускотормозными режимами АД благодаря решению системы дифференциальных уравнений [1] в обобщенной вращающейся 
трехфазной системе координат в относительных единицах: 

 



cв
сс
к
ca
ca
c
са
d
d
i
r
u









3




;                    (4) 



cс
са
к
cв
cв
c
св
d
d
i
r
u









3




;                    (5) 



cс
св
к
cс
cс
c
сс
d
d
i
r
u









3




;                    (6) 



рв
рс
к
рa
рa
р
ра
d
d
i
r
u










3





;              (7) 



рс
ра
к
рв
рв
р
рв
d
d
i
r
u










3





;              (8) 



ра
рв
к
рс
рс
р
рс
d
d
i
r
u










3





;                 (9) 

pc
рв
pa
cc
c
cв
c
ca
c
са
i
M
i
M
i
M
i
M
i
M
i
L













2
1
2
1
;      (10)