Автоматизированный тяговый электропривод

Серия основана в 2001 году

УЧЕБНИКИ

НГТУ

 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 

НОВОСИБИРСК

2019

Â. Â. ÁÈÐÞÊÎÂ

ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÛÉ

ÒßÃÎÂÛÉ

ÝËÅÊÒÐÎÏÐÈÂÎÄ

УДК 62-83-52:621.333(075.8) 
Б 649 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Н.И. Щуров 
д-р техн. наук, профессор В.Н. Аносов 
д-р техн. наук, доцент О.В. Нос 
 
 
Бирюков В.В. 
Б 649  
Автоматизированный тяговый электропривод: учебник / 
В.В. Бирюков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 323 с. – 
(Серия «Учебники НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-3993-7 

Рассматриваются особенности подвижного состава электрического транспорта как объекта автоматического управления при 
различных уровнях автоматизации. Приведены основы автоматического регулирования и управления, в том числе с применением 
телемеханики. Рассмотрены основные элементы систем, применяемые при построении автоматизированного тягового привода.    
Книга предназначена для студентов магистерского уровня, обучающихся по направлению «Энергетика и электротехника» в качестве учебника по дисциплине «Автоматизированный тяговый 
электропривод».  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 62-83-52:621.333(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3993-7 
© Бирюков В.В., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ...................................................................................................... 9 
Введение .......................................................................................................... 12 
Глава 1. Системы автоматического управления .................................... 17 
1.1. Классификация систем автоматического управления ....................... 17 
1.2. Системы автоматического управления ЭПС ...................................... 23 
1.3. Управление движением поезда при различных уровнях  
автоматизации ....................................................................................... 25 
1.4. Особенности условий автоматического регулирования  
и управления ЭПС ................................................................................ 30 
Глава 2. Функциональные схемы систем автоматического  
регулирования .............................................................................. 33 
2.1. Функциональные схемы и элементы САР ЭПС ................................ 33 
2.1.1. Объекты регулирования САР ...................................................... 36 
2.1.2. Исполнительные элементы САР ................................................. 49 
2.1.3. Управляющие элементы САР ...................................................... 64 
2.2. Принципы регулирования, применяемые в САР ЭПС ...................... 68 
2.3. Типовые функциональные схемы САР ЭПС ..................................... 74 
2.4. Функциональные схемы САР, применяемые на отечественном 
ЭПС ........................................................................................................ 88 
2.4.1. САР скорости ЭПС с релейно-контакторной системой 
управления ..................................................................................... 88 
2.4.2. САР ЭПС с тиристорными преобразователями ......................... 89 
2.4.3. САР угла запаса инвертора .......................................................... 93 
2.4.4. Многоконтурные САР ЭПС с тяговыми двигателями  
независимого возбуждения .......................................................... 98 
2.4.5. Адаптивные САР электропоездов ............................................. 100 

 

Глава 3. Структурные схемы САР .......................................................... 103 
3.1. Структурные схемы и передаточные функции тягового электродвигателя как линеаризованного объекта регулирования ........ 103 
3.2. Структурные схемы, передаточные функции и уравнения 
разомкнутых и замкнутых САР ......................................................... 115 
3.2.1. Передаточная функция замкнутой САР в разомкнутом 
состоянии ..................................................................................... 116 
3.2.2. Передаточная функция замкнутой САР ................................... 118 
3.2.3. Уравнение выходной координаты САР .................................... 124 
3.3. Точность работы САР в установившемся режиме .......................... 126 
3.3.1. Нулевая установившаяся ошибка по положению  
(по координате) ........................................................................... 129 
3.3.2. Нулевая установившаяся ошибка по скорости ........................ 130 
Глава 4. Структурные схемы, передаточные функции  
и уравнения переходных процессов в САР ЭПС .................. 133 
4.1. Принципы построения структурных схем САР ............................... 133 
4.2. Введение в схемы САР обратных связей ......................................... 140 
4.3. Нелинейные уравнения переходных процессов в контурах  
тока ЭПС ............................................................................................. 142 
4.3.1. Система автоматической стабилизации тока возбуждения .... 142 
4.3.2. Система автоматического регулирования угла запаса  
выпрямительно-инверторного преобразователя ...................... 145 
4.4. Уравнения контура регулирования скорости ЭПС .......................... 148 
4.4.1. Регулирование скорости ЭПС с тиристорными  
преобразователями ..................................................................... 148 
4.4.2. Регулирование скорости ЭПС с резисторноконтакторным управлением ....................................................... 152 
4.5. Нелинейные САР тягового двигателя и ЭПС .................................. 157 
4.5.1. Тяговый двигатель, как нелинейный объект регулирования ... 161 
4.5.2. Нелинейные системы автоматического регулирования 
ЭПС .............................................................................................. 165 
4.5.3. Методы исследования и расчёта нелинейных систем ............. 167 
Глава 5. Синтез систем автоматического регулирования .................. 179 
5.1. Принципы коррекции САР ................................................................ 179 
5.2. Влияние последовательных и параллельных корректирующих 
звеньев на качество процесса регулирования .................................. 182 

5.3. Влияние параллельно-встречно включённых корректирующих 
звеньев на качество процесса регулирования .................................. 189 
5.4. Особенности синтеза САР ЭПС ........................................................ 193 
5.5. Синтез САР ЭПС с нелинейными звеньями .................................... 209 
Глава 6. Устойчивость и качество регулирования .............................. 213 
6.1. Понятие об устойчивости и критериях устойчивости ..................... 213 
6.1.1. Критерий устойчивости Михайлова ......................................... 216 
6.1.2. Критерий устойчивости Найквиста .......................................... 219 
6.1.3. Устойчивость различных звеньев ............................................. 224 
6.2. Качество регулирования .................................................................... 233 
Глава 7. Системы автоматического управления  
электроподвижным составом ................................................... 241 
7.1. Назначение и области применения систем автоведения ................. 241 
7.2. Принципы оптимального управления ЭПС ..................................... 242 
7.3. Алгоритмы и программы автоматического управления электроподвижным составом .................................................................... 245 
7.3.1. Алгоритмы управления ЭПС в режиме тяги ............................ 246 
7.3.2. Алгоритмы управления ЭПС при торможении ....................... 250 
7.4. Точность движения поездов при автоведении ................................. 255 
7.4.1. Причины неточного движения поездов .................................... 255 
7.4.2. Выбор алгоритма перехода на выбег ........................................ 258 
7.4.3. Причины неточной остановки поездов ..................................... 261 
7.5. Автономные системы автоведения электропоездов, пассажирских и грузовых поездов .................................................................... 266 
7.5.1. Одноконтурные системы автоматического управления 
пассажирскими поездами ........................................................... 266 
7.5.2. Двухконтурная система автоматического управления 
пассажирскими поездами ........................................................... 270 
Глава 8. Практическая реализация систем автоматического 
управления электроподвижным составом ............................ 273 
8.1. Алгоритмы управления движением поездов на линии метрополитена .............................................................................................. 274 
8.2. Система автоведения поездов метрополитена СанктПетербурга .......................................................................................... 276 
8.3. Система автоведения поездов Московского метрополитена.......... 281 

8.4. Автономные системы автоведения и системы автоведения 
электровозов и электропоездов ......................................................... 286 
Глава 9. Системы телемеханического управления ЭПС .................... 295 
9.1. Классификация систем телемеханического управления ................. 295 
9.2. Система телеуправления ЭПС ........................................................... 301 
9.3. Системы диспетчерского автоматического телеуправления 
локомотивами ..................................................................................... 305 
Заключение .................................................................................................... 309 
Библиографический список ......................................................................... 310 
Приложения ................................................................................................... 311 

 
 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

9 

 
 
 
 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
втоматизация управления технологическими процессами 
повышает производительность труда и качество производимой продукции, обеспечивает безопасность во всех сферах деятельности человека.  
Формально процессы управления можно рассматривать в виде 
математических моделей, иллюстрирующих процессы обработки 
информации, и на основании этого создать общую теорию управления объектами. Американский математик Норберт Винер предложил термин «кибернетика» в качестве названия теории управления 
и связи в неживых и живых объектах. Большой вклад в развитие 
кибернетики и применение её для построения автоматических систем внесли советские учёные – академики А.И. Берг, В.М. Глушков, Б.Н. Петров, А.А. Воронов и другие. 
Автоматизация любого управления невозможна без применения автоматических регуляторов, первый из которых был изобретён 
в 1765 г. русским механиком И.И. Ползуновым. Предназначен он 
был для регулирования уровня воды в котле его паровой машины. 
Широкое распространение получил центробежный автоматический 
регулятор, изобретённый в 1784 г. Дж. Уаттом. Пионером автоматического регулирования в электротехнике стал В.Н. Чиколев, создавший в 1869 г. автоматический регулятор для электродуговых 
ламп. 
Основоположником теории автоматического регулирования 
стал 
профессор 
Петербургского 
технологического 
института 
И.А. Вышнеградский, который в 1877 г. изложил основы автоматического регулирования паровых машин. Важную роль в развитии 
научных основ автоматики сыграли великие русские математики 
А.М. Ляпунов и П.Л. Чебышёв, а также знаменитый учёный и инженер Н.Е. Жуковский. 

А

 

Составная часть любой автоматической системы – это объект 
управления, без знания характеристик которого невозможно ставить и решать задачи создания систем автоматики. В электроподвижном составе (ЭПС) основными объектами управления являются тяговый двигатель и поезд, поэтому необходимо учитывать процессы реализации силы тяги, изменения параметров системы электроснабжения при движении поезда, заданные значения ускорений 
и замедлений, максимальные величины токов и напряжений, а также график движения. Поэтому системы автоматики, применяемые 
на ЭПС, существенно отличаются от систем, применяемых в других 
отраслях. 
Первые системы автоматического управления (САУ) были 
применены на ЭПС с релейно-контакторным управлением.  
Приоритет в разработке САУ ЭПС принадлежит нашей стране. 
Первоначально автоматизация управления транспортными средствами началась на подвижном составе железных дорог. Первая система «автомашинист для пригородного поезда» была разработана 
в Научно-исследовательском институте управляющих и вычислительных машин (НИИ УВМ) в 1957 г. В дальнейшем были созданы 
автономные системы автоведения пассажирских поездов на электрической тяге (МИИТ), электропоездов пригородного сообщения 
(ВНИИЖТ), грузовых поездов на тепловозной тяге (ЛИИЖТ). 
В начале 1980-х годов с появлением микропроцессорной техники 
разработчики усовершенствовали системы автоведения на новой 
элементной базе. 
Параллельно велись разработки и на метрополитене. Так, в 
1961 г. НИИ УВМ впервые в СССР на Московском метрополитене 
была испытана автономная система автоведения электропоездов, 
после чего начались разработки централизованных систем автоведения. В 1960-е годы разработаны и внедрены программномоделирующие системы автоматического управления поездами Ленинградского метрополитена («Гипротранссигналсвязь»), система 
автоведения Московского метрополитена (МИИТ). В конце 1970 – 
начале 1980-х годов разработана и внедрена комплексная система 
автоматического управления поездами в Ленинграде, Москве, 
Харькове, Ташкенте. 
Специфика работы наземного городского электрического 
транспорта не позволяет в полном объёме реализовать возможности 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

11 

централизованных автоматизированных систем управления подвижным составом, эксплуатируемым на обособленном полотне. 
Вместе с тем некоторые параметры тяговых приводов наземного 
ЭПС регулируют с помощью систем автоматического регулирования (САР) независимо от элементной базы силовых цепей подвижного состава. 
Использование силовых полупроводниковых приборов на железнодорожном и пневмоколёсном транспорте привело к появлению систем автоматического регулирования выходных параметров 
преобразователей, питающих как тяговый привод, так и вспомогательное оборудование. Значительный вклад в эту область исследований внесли коллективы научных школ МЭИ.  
В настоящем учебнике порядок изложения подобен порядку, 
принятому в большинстве учебников по электроэнергетике и электротехнике.  
Основой для написания этого учебника послужил известный 
теоретический и практический материал в области автоматизации 
управления транспортными средствами, оснащёнными тяговыми 
электроприводами. 
Структурно он представлен в виде девяти глав, в которых рассматриваются вопросы теории и схемные решения систем управления.  
Автор выражает благодарность рецензентам данной книги – 
докторам технических наук, профессорам Н.И. Щурову, В.Н. Аносову и О.В. Носу за ценные советы и пожелания, которые были 
учтены при подготовке окончательного варианта.  

 

ВВЕДЕНИЕ 
 
ак известно, под тяговым электроприводом подразумевается совокупность элементов электрического и механического оборудования транспортного средства, предназначенная для 
преобразования энергии источника питания в энергию его поступательного движения. Кроме того, привод должен обеспечивать и режим торможения (электрического и механического). 
Структурная схема тягового электропривода (рис. В1) включает 
в себя: блок ИЭ – источник энергии; Пр – преобразователь; ЭМПр – 
электромеханический преобразователь (тяговый электродвигатель); 
МП – механическая передача; Дв – движитель (пневмоколесо, колёсная пара и т. д.).   
 

 
Рис. В1 

Условия эксплуатации ЭПС по сравнению с общепромышленным оборудованием имеют специфические особенности. 
1. Неровности дороги, стыки рельсов, а также колебания и вибрации во время движения приводят к частым ударным воздействиям и 
тряске подвижного состава. Тяговый электропривод требует повышенной механической и электрической прочности деталей и узлов и высокой надёжности их крепления. Для уменьшения ударных воздействий 
все оборудование стремятся делать полностью подрессоренным. 

К

 ТЯГОВЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД ЭПС 

ИЭ 
Пр
ЭМПр
МП
Дв 

Классический электропривод 

 

ВВЕДЕНИЕ 

13 

2. При движении подвижного состава в элементы его привода 
неизбежно проникает загрязненный и влажный воздух, а иногда 
грязь, вода, снег. Изолированные детали электрической части привода должны иметь влагостойкую изоляцию, все металлические детали – быть надежно защищены антикоррозионными покрытиями. 
Электрооборудование, размещённое вне кузова, должно быть по возможности защищено от попадания в него посторонних предметов. 
3. Подвижной состав работает с различной нагрузкой, определяемой его наполнением, меняющимся профилем пути, влажностью 
и температурой окружающей среды (от –50 до +40 °С) и высотой 
над уровнем моря до 1200 м. 
4. Питающее напряжение энергетической установки транспортного средства может изменяться в значительном интервале, что 
не должно приводить к сбою в работе тягового привода. 
5. Режим работы тягового электрооборудования (в частности 
электродвигателей) – повторно-кратковременный с частыми пусками и торможениями, а иногда и реверсом. 
6. Пространство для размещения и монтажа механического и 
электрического оборудования на подвижном составе весьма ограничено. Поэтому оборудование должно иметь по возможности малые габариты и вес, к нему должен быть обеспечен хороший доступ 
для осмотров и ремонтов, позволяющий быстро заменять неисправные узлы и детали исправными. 
7. Отказ в работе электрооборудования на линии, особенно на 
рельсовом транспорте, приводит к нарушению графика движения 
всего транспорта на этом участке. 
Кроме того, к специализированному транспорту на электрической тяге предъявляются особые требования, обусловленные спецификой его функционального назначения: грузоподъёмность, маневренность, устойчивость, которые оговариваются в техническом 
задании на его разработку. 
Перечисленные особенности условий работы приводов, а также 
широкое использование на ЭПС последних моделей силовой полупроводниковой техники в цепях тягового и вспомогательного оборудования приводят к необходимости применять на транспортных 
средствах системы автоматики.  
Эффективность автоматизации процессов управления подвижным составом проявляется прежде всего в исключении субъективного фактора при выборе режимов движения, максимальном использовании заложенных в элементах привода возможностей, повышении комфортности поездок и т. д. 

Управление, как известно, – это целенаправленное воздействие 
на объект, ведущее к достижению поставленной цели. Любой процесс управления включает следующие операции: 
1) получение начальной информации о цели управления; 
2) сбор информации о состоянии объекта управления и о внешних воздействиях (возмущениях); 
3) обработку всей информации, принятие решения о необходимых воздействиях на управляемый объект; 
4) исполнение принятого решения (воздействие на управляемый объект). 
Перечисленные операции характерны для всех видов управления (неавтоматического и автоматического) самыми различными 
процессами (технологическими, биологическими, экономическими, 
экологическими, социальными). 
Первые три операции – это логические и вычислительные действия; при неавтоматическом управлении они требуют затрат умственного труда. Их называют кибернетическими, или распорядительными.  
Последняя операция управления требует затрат энергии (при 
ручном управлении – затрат физического труда) и называется энергетической, или исполнительной. 
В автоматических системах все четыре операции управления 
выполняются без участия человека. 
В зависимости от степени автоматизации системы управления 
техническими объектами относятся к одному из трёх видов: неавтоматическому, автоматизированному и автоматическому. 
Неавтоматическое управление, например электровозом, сводится к тому, что машинист оценивает пройденный путь, затраченное время и достигнутую скорость (рабочая информация об объекте), сопоставляет это с длиной перегона, допустимыми скоростями 
и заданным временем прибытия на станцию (начальная информация), учитывает уровень напряжения контактной сети (рабочая информация о возмущениях) и принимает решение об изменении режима работы тяговых двигателей. 
Распорядительные операции машиниста, связанные с приёмом, 
анализом информации и принятием решений (сплошные стрелки на 
рис. В2), достаточно сложны. Они требуют от машиниста большого 
объёма профессиональных знаний, навыков, внимания и быстроты 
реакции. Исполнительные операции машиниста (штриховые стрелки) сводятся к воздействиям на контроллер, тормозной кран и  
кнопочные выключатели. Эти операции достаточно просты и не 
требуют заметного физического труда, но при частом повторении