Автоматизированный электропривод

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
В.Т. СЫСЕНКО 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ 
ЭЛЕКТРОПРИВОД 
 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.34-52(075.8) 
С 956 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент Ю.В. Панкрац 
канд. техн. наук, доцент В.В. Бирюков 
 
 
 
Работа подготовлена на кафедре электропривода и автоматизации 
промышленных установок и утверждена Редакционно-издательским 
советом университета в качестве учебно-методического пособия 
для студентов IV курса МТФ всех форм обучения 
 
 
Сысенко В.Т. 
С 956  
Автоматизированный электропривод: учебно-методическое 
пособие / В.Т. Сысенко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 
52 с. 

ISBN 978-5-7782-3963-0 

Изложены необходимые теоретические положения основных разделов АЭП. Рассмотрены вопросы, связанные с расчетом и построением механических характеристик электроприводов постоянного и 
переменного тока.  
Пособие предназначено для студентов направления «Конструкторско-технологическое 
обеспечение 
машиностроительных 
производств». 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.34-52(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3963-0 
© Сысенко В.Т., 2019 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет, 2019 

 
 
 
 
 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 4 
Автоматизированный электропривод ................................................................... 5 
Механические характеристики  производственных механизмов ....................... 6 
Механические характеристики электродвигателей ............................................. 7 
Регулирование скорости вращения электроприводов ......................................... 8 
Частотное регулирование скорости АД с короткозамкнутым ротором ........... 10 
Регулирование скорости в системе тиристорный преобразователь – 
двигатель (ТП–Д) .................................................................................................. 11 
Выпрямленные величины  ................................................................................... 12 
Импульсный метод регулирования скорости в ДПТ НВ................................... 22 
Переходные процессы  при пуске электропривода ........................................... 24 
Системы автоматического  управления (САУ) .................................................. 25 
Разомкнутые САУ ................................................................................................. 25 
Замкнутые САУ .................................................................................................... 25 
Системы подчиненного  регулирования (СПР) .................................................. 26 
Расчетно-графическое задание ............................................................................ 31 
Контрольное задание ............................................................................................ 32 
Задача 1-1. Для двигателя постоянного тока  независимого возбуждения ...... 32 
Задача 1-2. Для асинхронного двигателя с фазным ротором ............................ 40 
Список литературы ............................................................................................... 47 
Приложение 1 
Технические данные двигателей постоянного тока к задаче 1-1 ...................... 48 
Технические данные асинхронных двигателей с фазным ротором  
к задаче 1-2 ............................................................................................................ 49 
Приложение 2 ........................................................................................................ 50 
Экзаменационные вопросы .................................................................................. 50 

 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Автоматизированный электропривод – одна из специальных дисциплин для студентов механико-технологического факультета. Этот 
курс формирует целостное представление о потребителях электрической энергии. Основная задача курса заключается в том, чтобы студент 
умел правильно оценить процессы, протекающие в электроприводах 
различных механизмов, а также правильно их эксплуатировать. 
Для этого необходимо: 
1) иметь полное представление о значении электропривода в 
народном современном производстве; 
2) уметь технико-экономически обосновать выбор электропривода 
для различных механизмов в соответствии с предъявленными к нему 
требованиями; 
3) уметь читать и составлять схемы управления электроприводами; 
4) знать основные требования к электроснабжению принятого типа 
электропривода заданной технологической установки; 
5) курс «Автоматизированный электропривод» базируется на общетехнических и базовых электротехнических дисциплинах. Он состоит из двух частей: «Основы электропривода» и «Автоматическое 
управление электроприводами». 
 

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЭЛЕКТРОПРИВОД  
 
Автоматизированный электропривод (АЭП) – это электромеханическая система, состоящая из электродвигателя (ЭД), преобразователя, передаточного устройства (редуктор, цепь, ремень и др.) и блока 
управления, которые приводят в движение рабочую машину и управляют этим движением (рис. 1). 

Работа АЭП на примере структурной схемы 

 

 
Рис. 1 

На рис. 1 приняты следующие обозначения: 
У – блок управления; 
П – силовая часть преобразователя; 

МП
Э
 – электромеханический преобразователь (система возбуждения и обмотки якоря); 
РД – ротор двигателя; 
ЭД – электродвигатель; 
ДОСЭ – датчик обратной связи электрический;  
ДОСМ – датчик обратной связи механический;  
РМ – рабочая машина;  

ПУ – передаточное устройство; 

д
М  – момент на валу двигателя; 
ω – скорость. 
На вход системы У подается задающий сигнал (напряжение) 
з
U . 
Этот сигнал – величина постоянная на период отработки приводом 
какой-то определенной операции. Информация о текущем состоянии 
привода передается с помощью ДОСЭ и ДОСМ. Сигналы этих датчиков подаются на вход системы У. В блоке У осуществляется сравнение 
всех входных сигналов (алгебраическое сложение), и результирующий 
сигнал рассогласования 
у
(U  – напряжение) с выхода блока управления 
поступает на силовую часть преобразователя (тиристорный мост).  
С выхода преобразователя подается рабочее напряжение 
п
U  на обмотку двигателя. 
Двигатель вращается, приводит в движение РМ и стремится устранить рассогласование 
у
U .  
 
 
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ 
 
При работе электродвигателя, приводящего в движение производственный механизм, следует выявить соответствие механических 
характеристик двигателя 
д
[
(
)]
М
f
 
 и механизма 
ст
[
(М
)]
f
 
, где 

д
М  – момент на валу двигателя; 
ст
М
 – момент сопротивления механизма. Разные механизмы имеют и разные характеристики. Однако с 
помощью эмпирической формулы видим, что 

 
ст
0
ст.ном
0
ном
М
М
(М
М )

q











, 
(1) 

где 
0
М  – момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; 
ст.ном
М
 – момент сопротивления при номинальной скорости. 
При разных значениях ст)
(М
f
 
 будет иметь следующий вид:  
1) = 0, 
cт
M
const

 (например, в механизме подъема, рис. 2); 
 

2) = 2, 
2
ст
М
k
   (такая характеристика, например, у вентилятора); 
3) = –1, 
cт
M
 изменяется обратно пропорционально скорости, при 
этом мощность, потребляемая механизмом, постоянная. Такую характеристику имеют, например, металлорежущие станки.  
 
 
 
 
 
МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ 
 
Почти все электродвигатели обладают тем свойством, что их скорость есть убывающая функция момента двигателя. 
У разных двигателей эта функция различна и характеризуется 
жесткостью характеристики  


   . 

Для нелинейных характеристик 


   . 

По степени жесткости характеристики делятся: 
– на абсолютно жесткую,    , такую характеристику имеют синхронные двигатели (рис. 3); 
– жесткую, ее имеют двигатели постоянного тока независимого 
возбуждения (ДПТ НВ), а также асинхронные двигатели (АД) в пределах рабочей части а–в (кривая 3); 
– мягкую (кривая 4), ее имеют двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (ДПТ ПВ); 
– абсолютно мягкую, 
0
 
. Ее имеют ДПТ НВ при работе в замкнутых системах электропривода в режиме стабилизации тока якоря.  

Рис. 2 

Рис. 3 

Характеристики ДПТ НВ и АД рассмотрены в разных режимах работы.  
 
 
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ  
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ 
 
Под регулированием понимается преднамеренное изменение скорости под действием управляющего воздействия. Основными способами регулирования являются следующие. 
1. Параметрический – введение добавочного сопротивления 
g
R  в 

цепь якоря ДПТ НВ, ДПТ ПВ и добавочного сопротивления 
2
R  –  
в цепь ротора АД. Это следует из анализа механических характеристик 
ДПТ НВ: 

 
с
я
0
2
М
Ф
( Ф)

U
R
k
k

 

   , 
(2) 

где 
c
U  – напряжение сети, подаваемое на обмотку якоря; 
0
  – скорость идеального холостого хода;   – просадка скорости при подключении нагрузки. 
Такой способ неэкономичный, так как при введении 
g
R    – уве
личивается, 
0
  – const, 
2
д
Р   , здесь
2
Р  – механическая мощность. 

Значит, с уменьшением скорости 
2
Р  уменьшается, а мощность потребляемая 
1
Р
UI

 – это const, при 
1
2
Р
Р
Р



 на 
g
R  выделяется 
энергия потерь в виде тепловой энергии. 
Такой способ регулирования – ступенчатый, он имеет 4-5 ступеней, 

и регулирование осуществляется в небольшом диапазоне 
max

min
D

 
. 

2. Регулирование скорости в системе генератор – двигатель 
(Г–Д) 
При таком регулировании обмотка якоря двигателя запитывается 
от генератора, вращаемого приводным асинхронным двигателем.  
В этом случае уравнение (2) будет иметь следующий вид: 

 

Г
я
Г
0
2
М(
 
Ф
( Ф)

)
Е
R
R
k
k


 

   . 
(3) 

В уравнении (3) вместо нерегулируемого 
с
U  будет регулируемый 
источник 
Г
Е , позволяющий плавно регулировать скорость в широком 
диапазоне. При регулировании ЭДС генератора 
Г
Г
Ф
Е
k

 регулируется 
Г
U  – напряжением обмотки возбуждения, т. е. 
в.Г
U
. Такое регулирование считается первой зоной 
с
co
t)
(
ns
М

 (рис. 4). 
 

 
Рис. 4 

В случае нагрузки 
ст
2
1
М
k




 (металлорежущий станок) регулиро
вание осуществляется регулированием напряжения возбуждения двигателя 
д
(
)
в.
(
)
U
. Это вторая зона регулирования.  
Такой способ экономичный и широко используется в электроприводах.  
 
 
 
ЧАСТОТНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ АД  
С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ  
 
Возможность такого регулирования вытекает из понятия для син
хронной скорости 
0
  вращающегося магнитного поля 
1
0
2 f

Р

 
, где

1f  – частота питающего напряжения обмотки статора; Р – число пар 
полюсов обмотки статора. 
В результате исследований установлено, что соотношение между 
частотой и напряжением, подводимым к статору, исходит из условия 
сохранения перегрузочной способности двигателя для любой из регулировочных характеристик: 

 
кр

ст

М
const
М
 

. 
(4) 

В результате преобразований и с учетом уравнения (1) получено 
выражение 

 
1
1
0
0
(1
)
q
U
f
М
М
f



. 
(5) 

При подстановке в уравнение (5) = 0, = 2, = –1 для соответствующих статических нагрузок (рис. 2) получены регулировочные 
характеристики (рис. 5) и соответствующие им законы управления 
(рис. 5), обеспечивающие работу двигателя на каждой регулировочной 
характеристике в оптимальном режиме. 
 

а 
б 
в 

1

1
соnst
U

f

 
2
1
соnst
U

f

 

1
const
U

f

 

Рис. 5 

Этот способ экономичный, перспективный, обеспечивает плавное 
регулирование в широком диапазоне. 
 
 
 
РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ В СИСТЕМЕ  
ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – ДВИГАТЕЛЬ  
(ТП–Д) 
 
Вся промышленная энергия, вырабатываемая на ГЭС и ТЭЦ синхронными генераторами, это энергия переменного тока. Постоянный 
ток, необходимый для питания двигателей и для электролиза, получают с помощью вентильных преобразователей, в которых вентили 
выполняют роль электрических ключей, пропускающих ток в проводящую часть периода синусоиды и запирающих цепи в непроводящую 
часть периода.  
Тиристор (Т) – это полупроводящий вентиль, в котором начало 
пропускания тока осуществляется подачей отпирающего импульса 
напряжения на его базовый электрод, а запирается он автоматически 
при переходе синусоиды через нуль, а точнее, при прекращении протекания тока через тиристор. Начало пропускания тока характеризуется 
временны́ м углом  , отсчет которого начинается от точки естественного отпирания вентиля.