Системы автоматизированного управления электропривода

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНИК

В.В. МОСКАЛЕНКО

СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Рекомендовано Государственным
комитетом Российской Федерации
по строительству и жилищно-коммунальному
комплексу в качестве учебника для студентов
средних специальных учебных заведений,
обучающихся по специальности «Монтаж,
наладка и эксплуатация электрооборудования
промышленных и гражданских зданий»

Москаленко В.В.
Системы автоматизированного управления электропривода : учебник / В.В. Москаленко.  — Москва : ИНФРА-М, 
2021. — 208 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-005116-1 (print)
ISBN 978-5-16-109373-3 (online)

Рассмотрены общие принципы построения и структуры систем  управления электропривода. Приведено описание элементов 
и устройств схем управления, рассмотрены разомкнутые и замкнутые 
схемы электроприводов с двигателями постоянного и переменного 
тока. Изложены вопросы применения электроприводов в системах 
автоматизации технологических процессов. Даны основные понятия 
и методы расчета и повышения надежности электроприводов.
Для студентов учебных заведений среднего профессионального 
образования.

УДК 62-83(075.32)
ББК 31.291я723

УДК  62-83(075.32)
ББК  31.291я723
  
М82

© Москаленко В.В., 2004
ISBN 978-5-16-005116-1 (print)
ISBN 978-5-16-109373-3 (online)

М82 

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................... 7

ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Основные понятия, термины и определения ................... 9
1.2. Понятие о регулировании координат (переменных)

электропривода.............................................................. 12

1.3. Структуры и принципы построения схем управления

электропривода.............................................................. 14

ГЛАВА 2
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Силовые полупроводниковые преобразователи

электроэнергии .............................................................. 22

2.2. Электрические аппараты ручного и дистанционного

управления..................................................................... 29

2.3. Аналоговые элементы и устройства управления ............ 39
2.4. Дискретные элементы и устройства управления ............ 44
2.5. Полупроводниковые логические элементы .................... 47
2.6. Микропроцессорные средства управления ..................... 49
2.7. Датчики времени и координат электропривода ............. 54
2.8. Электромагнитные муфты и тормозы ............................. 67
2.9. Защита, блокировки и сигнализация

в электроприводах ......................................................... 70

2.10. Выбор силовых преобразователей,

аппаратов управления, коммутации и защит .............. 80

ГЛАВА 3
РАЗОМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Общая характеристика разомкнутых схем управления ...... 87

3.2. Типовые узлы и схемы управления электроприводов

с двигателями постоянного тока .................................. 88

3.3. Типовые узлы и схемы управления электроприводов

с асинхронными двигателями .................................... 101

3.4. Типовые узлы и схемы управления электроприводов

с синхронными двигателями ...................................... 114

ГЛАВА 4
ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Общая характеристика замкнутых схем управления ......... 119
4.2. Замкнутые схемы управления электропривода

с двигателями постоянного тока ................................ 119

4.3. Замкнутые схемы управления электропривода

с асинхронными двигателями .................................... 136

4.4. Замкнутые схемы управления электропривода

с синхронными двигателями ...................................... 146

4.5. Следящие электроприводы ............................................ 155
4.6. Электроприводы с программным управлением............ 162
4.7. Электроприводы с адаптивным управлением............... 173
4.8. Комплектные и интегрированные электроприводы.......... 175

ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРОПРИВОД В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОИЗВОДСТВА

5.1. Структуры систем автоматизации производства .......... 179
5.2. Регулируемый электропривод как средство

энергосбережения в технологических процессах ...... 186

5.3. АСУ строительством ...................................................... 190

ГЛАВА 6
НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

6.1. Основные понятия и определения теории

надежности .................................................................. 193

6.2. Методы расчета надежности электроприводов............. 195
6.3. Повышение надежности электроприводов ................... 199

Список литературы ............................................................... 206

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие и совершенствование современных технологических

и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и в других областях народного хозяйства
характеризуются широким использованием средств автоматизации
и комплексной механизации. Это позволяет освободить человека
от однообразного и тяжелого физического труда, повысить производительность, надежность функционирования технологического оборудования и качество выпускаемой им продукции. Автоматические системы управления позволяют также заменить человека при работе технологического оборудования во вредных и
опасных для его здоровья условиях окружающей среды — космосе, среде агрессивных газов, запыленных помещениях и т.д.

В общем случае автоматизация [1] — это применение техничес
ких средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Автоматизироваться могут технологические процессы, научные и экспериментальные инженерные исследования, проектирование различных объектов, организация, планирование и управление различных
предприятий и организаций. Предметной областью этой книги являются системы управления автоматизированного электропривода и
выполняемые с его использованием системы автоматизации рабочих
машин и механизмов и технологических комплексов.

Электрический привод (ЭП) является энергетической основой

технологических и производственных процессов, которые реализуются за счет механической энергии. Приводя в движение исполнительные органы рабочих машин и механизмов и управляя этим
движением с заданным качеством, ЭП обеспечивает добычу полезных ископаемых, изготовление и обработку различных изделий
и материалов, перемещение людей и грузов и выполнение многих других технологических операций с наилучшими техническими и экономическими показателями. Тем самым современный ЭП
представляет собой важнейшее устройство систем автоматического
управления технологическими процессами.

Многообразие и сложность выполняемых ЭП функций, ис
пользование в его структурах новых, в первую очередь полупроводниковых элементов и устройств, постоянное увеличение числа и видов автоматизированных ЭП требуют высокого уровня
подготовки специалистов, занимающихся их монтажом, наладкой
и эксплуатацией. Они должны хорошо знать элементную базу автоматизированных ЭП, понимать основные принципы построения и работу разомкнутых и замкнутых схем управления ЭП, владеть информацией о комплектных и интегрированных ЭП, системах автоматического управления технологическими процессами
и предприятиями. Важный элемент образования в этой сфере составляют и знания о надежности ЭП.

Книга написана в соответствии с Государственным образова
тельным стандартом среднего профессионального образования и
Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2913 «Монтаж,
наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и
гражданских зданий», введенными в действие с 1 сентября 2002 г.
В ней приводятся основные сведения из теории автоматического
управления, рассматриваются элементная база ЭП и выполненные
на ее основе разомкнутые и замкнутые схемы управления автоматизированного ЭП, а также автоматизация технологических процессов. В нее включены также сведения по надежности работы
ЭП, методам ее расчета и повышения.

Изучение дисциплины «Системы автоматизированного управ
ления электропривода» основывается на знаниях учащихся по
информатике, теоретическим основам электротехники, основам
электронной и микропроцессорной техники, электрическим машинам и основам электропривода. В книгу включен материал по
силовой преобразовательной технике, электрическим аппаратам,
элементам и устройствам систем управления, необходимый для
лучшего понимания работы автоматизированного ЭП.

Для лучшего усвоения материала и освоения учащимися навы
ков практических расчетов книга содержит задачи и примеры их
решения, а с целью проверки степени усвоения материала в конце каждой главы приведены контрольные вопросы.

ВВЕДЕНИЕ

В своей практической деятельности человек использует самые

разнообразные технологические процессы и операции, реализация которых осуществляется с помощью различных рабочих машин и производственных механизмов. Во многих случаях для выполнения технологического процесса эти рабочие машины и механизмы объединяются в единый производственный комплекс,
образуя предприятия различного назначения.

Характерной чертой совершенствования как отдельных рабо
чих машин, так и технологических комплексов в целом является автоматизация их работы, что позволяет повысить их производительность и качество выпускаемой продукции и обеспечить
наилучшие показатели по экономичности и надежности при эксплуатации. Важным фактором является и то, что автоматизация
позволяет освободить человека от тяжелого и однообразного труда, а во многих случаях обеспечить управление технологическими процессами с показателями, недоступными человеку по его
физиологическим возможностям.

Примерами автоматизации отдельных рабочих машин и тех
нологических комплексов могут служить автоматические линии
и гибкие автоматизированные производства, числовое программное управление станками, системы автоматического поддержания угловой скорости вращения (далее в тексте — скорость вращения) двигателей, системы поддержания уровня жидкости в
резервуаре и т.д.

Большое число рабочих машин и производственных меха
низмов: лифтов, конвейеров, насосов, подъемных кранов и
т.д. — для выполнения технологических операций используют
механическую энергию, которую они получают от ЭП. Приводя в движение исполнительные органы этих рабочих машин
и механизмов: кабину лифта, ленту конвейера, рабочее колесо насоса, грузозахватное приспособление подъемного крана —
и управляя этим движением, ЭП становится важнейшей частью общей схемы автоматизации, от функционирования которой зависит в конечном итоге качество реализации технологических процессов.

Характерной чертой развития современного ЭП является по
стоянное расширение и усложнение выполняемых им функций,
что в первую очередь достигается за счет все более широкого использования регулируемых и автоматизированных ЭП. Их применение позволяет повысить качественные и количественные показатели технологических процессов, увеличить надежность функционирования технологического оборудования и самого ЭП,
улучшить условия работы обслуживающего персонала.

Глава 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ

И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Управление представляет собой организацию того или иного

процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

Система управления — совокупность всех устройств, обеспечи
вающих управление каким-либо объектом или процессом. Если
управление осуществляется без непосредственного участия человека, то система управления называется автоматической. Систему автоматического управления (САУ) образуют устройство
управления и объект управления.

Если отдельные операции управления осуществляет человек

или группа людей, то такие системы управления называются автоматизированными. Для выполнения этих операций человек должен получать информацию о процессе управления и иметь в своем распоряжении соответствующие органы управления объектом
или процессом.

Рис. 1.1. Схема системы автоматического управления

Обобщенная схема САУ показана на рис. 1.1. На ней обозна
чены: 1 — объект управления; 2 — источник информации о задачах управления; 3 — устройства информации о ходе и результатах управления; 4 — устройство обработки информации и выработки сигнала управления; 5 — исполнительное устройство;

6 — устройства информации о функционировании исполнительного устройства.

В некоторых случаях задачей управления является обеспече
ние постоянства некоторой физической переменной: температуры, скорости вращения, давления — или ее изменение во времени по некоторому закону. Такой частный вид управления
обычно называется регулированием. Система автоматического
регулирования (САР) по аналогии с системой автоматического
управления состоит из регулируемого объекта и регулятора. В состав систем автоматического регулирования, кроме регулятора,
входят и другие необходимые для их функционирования устройства. К ним относятся:

• датчики регулируемых переменных, с помощью которых по
лучают информацию об их текущих значениях;

• задатчики регулируемых переменных, с помощью которых

системе задается требуемый уровень регулируемой переменной;

• измерительные устройства, с помощью которых определяет
ся отклонение текущего (фактического) значения регулируемой
переменной от ее заданного значения;

• устройства сопряжения, позволяющие соединить все элемен
ты и устройства системы регулирования в единый комплекс.

Помимо этого, в состав системы регулирования входят эле
менты и устройства, обеспечивающие защиту, блокировки и сигнализацию при ее работе, а в современных системах регулирования — дополнительно тестирование, диагностику и резервирование.

Различают следующие виды САР:
• системы автоматической стабилизации, обеспечивающие под
держание регулируемой величины на заданном уровне с требуемой точностью. К таким системам относятся, например, системы
поддержания температуры в нагревательной печи, система регулирования скорости вращения двигателей и многие другие. Системы стабилизации делятся на астатические и статические.
Астатические системы стабилизации обеспечивают поддержание
регулируемой переменной в статическом режиме на неизменном
уровне при изменениях возмущающего воздействия. Статическими системами называются такие, в которых в установившемся
режиме происходит изменение регулируемой переменной при
изменении возмущающего воздействия. Другими словами, астатические САР обеспечивают регулирование переменных в установившемся режиме без ошибки, т.е. осуществляют регулирование
переменной строго с заданным уровнем, а статические САР —
с некоторой ошибкой;

• следящие системы, которые осуществляют изменение регули
руемой величины во времени по произвольному закону. Примерами такой системы могут служить системы слежения локатором
за целью или система радиоантенны, обеспечивающая связь с космическими объектами;

• системы программного регулирования, которые обеспечивают

изменение регулируемой переменной во времени по определенной программе. К таким системам относятся, в частности, системы числового программного управления станками;

• системы адаптации, обеспечивающие оптимальное регулиро
вание переменной по заданному показателю качества при изменяющихся условиях работы объекта регулирования. К таким системам относятся самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.

Системы с одним входным каналом и одной регулируемой (вы
ходной) переменной носят название одномерных, а с несколькими входными и несколькими выходными — многомерными.

Объект управления (регулирования) при его функционирова
нии подвергается различным воздействиям. Со стороны системы
управления на него действует управляющее (регулирующее) воздействие, обеспечивающее требуемое регулирование заданной переменной.

Со стороны окружающей среды и сопредельных объектов и

систем объект подвергается различным возмущающим воздействиям, которые могут иметь как определенный, так и случайный характер. К возмущающим воздействиям обычно относят и различные аварийные ситуации: исчезновение или колебания питающего
напряжения, поломку в рабочей машине, выход из строя элемента системы управления и т.д. Основная задача систем управления
состоит именно в том, чтобы при всех возможных возмущающих
воздействиях, действующих на объект управления, обеспечить
должным образом его управление.

Первые системы автоматического регулирования практическо
го применения появились в XVIII в. и использовались для автоматизации работы паровых машин. Схема на рис. 1.2 иллюстрирует работу автоматического регулятора уровня воды в паровом
котле паровой машины И.И. Ползунова. Уровень воды в котле
определяется с помощью поплавка 1, с которым связана заслонка
2, регулирующая доступ воды 3 в котел 4. При увеличении отбора
пара уровень воды в котле падает, поплавок опускается вниз, заслонка перемещается вверх и приток воды в котел увеличивается.
По мере восстановления необходимого уровня воды в котле доступ воды в котел уменьшается.

Рис. 1.2. Система автоматического регулирования уровня воды

Другим примером регулирования работы паровых машин слу
жит центробежный регулятор скорости вращения вала паровой
машины, который обеспечивал ее поддержание за счет изменения
подачи пара в машину. Оба типа таких регуляторов, будучи усовершенствованными, широко используются и в настоящее время.

1.2. ПОНЯТИЕ О РЕГУЛИРОВАНИИ КООРДИНАТ

(ПЕРЕМЕННЫХ) ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Для управления движением исполнительных органов рабочих

машин и производственных механизмов и обеспечения требуемых
режимов самого ЭП необходимо регулирование ряда переменных,
например скорости, ускорения и положения исполнительного органа рабочей машины, токов в цепях двигателей, момента на их
валу, магнитного потока электрических машин и т.д.

Типичным примером регулирования переменных, которые в ЭП

часто называют координатами, может служить ЭП пассажирского
лифта. При пуске и остановке кабины лифта для обеспечения комфортности пассажиров ускорение и замедление ее движения не
должны быть выше допустимого уровня. Перед остановкой скорость кабины должна снижаться, т.е. она должна регулироваться.
Пониженная скорость движения кабины требуется и для осуществления наладки или ревизии электрооборудования лифта. И наконец, кабина с заданной точностью должна останавливаться на требуемом этаже, т.е. необходимо обеспечивать заданное положение
(позиционирование) кабины лифта. Такое управление движением
кабины лифта обеспечивается за счет регулирования соответствующих координат (переменных) ЭП лифта.

При изготовлении бумаги, тканей, кабельных изделий, различ
ных пленок, прокатке металлов требуется обеспечение определен

ного натяжения этих материалов, что также осуществляется с помощью ЭП. Регулирования координат требуют и многие другие
рабочие машины и механизмы: подъемные краны, металлообрабатывающие станки, транспортеры, насосные агрегаты, роботы и
манипуляторы и т.д.

Кроме этого, и при работе самого ЭП необходимо обеспечить

определенные допустимые режимы работы его элементов. Так,
например, при пуске, реверсе или торможении двигателей часто
требуется ограничивать их токи до допустимых уровней.

Процесс регулирования этих и других координат всегда связан

с целенаправленным воздействием на двигатель, что и должна
обеспечивать его система управления.

Регулирование скорости движения исполнительных органов

рабочих машин и механизмов может осуществляться с помощью
ЭП в виде стабилизации скорости, изменения скорости в соответствии с произвольно меняющимся задающим сигналом (слежение) или по заранее заданной программе (программное движение).

Регулирование положения характеризуется процессом перемеще
ния исполнительных органов рабочих машин и механизмов в заданную точку пространства или плоскости и их установку там
(фиксирование) с заданной точностью. Такое их перемещение из
одной точки плоскости или пространства (позиции) в другую называется позиционированием и обеспечивается соответствующим
регулированием положения вала двигателя.

Регулирование момента и тока двигателей производится в тех

случаях, когда ЭП должен обеспечивать требуемое ускорение или
замедление движения исполнительных органов или создавать необходимое натяжение в обрабатываемом материале или изделии.

Сюда же относятся и случаи, когда требуется ограничивать

момент ЭП для предотвращения поломки рабочей машины или
механизма при внезапном стопорении движения исполнительного органа (например, при копании грунта, бурении скважин, заклинивании механической передачи и т.д.).

Регулирование (ограничение) тока и момента двигателей тре
буется также для обеспечения нормальных условий работы самих двигателей. Так, при пуске двигателей постоянного тока
обычного исполнения по соображениям нормальной работы их
коллекторно-щеточного узла ток должен быть ограничен на уровне 2...3 Iном. Необходимость ограничения тока возникает и при
пуске мощных двигателей постоянного и переменного тока, когда большие пусковые токи двигателей могут привести к недопустимому снижению напряжения питающей сети.