Теория электропривода

ТЕОРИЯ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Учебник

Москва
ИНФРА-М
2021

Г.Б. Онищенко

Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики 
и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных 
заведений, обучающихся по профилю «Электропривод и автоматика» 
направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» 

Онищенко Г.Б.
Теория электропривода : учебник / Г.Б. Онищенко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2021. — 294 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/7322.

ISBN 978-5-16-009674-2 (print)
ISBN 978-5-16-100998-7 (online)

Изложена теория современного автоматизированного электропривода, 
приведены основы электромеханического преобразования энергии, рассмотрены 
вопросы передачи механической энергии от вала двигателя к рабочему 
органу технологической машины, способы преобразования электрической 
энергии посредством силовых полупроводниковых преобразователей, входящих 
в состав электропривода, даны анализ электромеханических характеристик 
основных типов электродвигателей в установившихся и переходных 
режимах, способы регулирования координат электропривода, описываются 
типовые системы регулируемого электропривода, общие методы построения 
замкнутых систем автоматического регулирования электроприводов, методы 
расчета и выбора электродвигателей.
Для студентов по направлению подготовки «Электроэнергетика и элек-
тротехника»; может быть использован аспирантами и научно-техническими 
работниками, специализирующимися в области автоматизированного элек-
тропривода.
 
УДК 62-83(075.8) 
ББК 31.291я73

О58

ISBN 978-5-16-009674-2 (print)
ISBN 978-5-16-100998-7 (online)
© Онищенко Г.Б., 2015

Р е ц е н з е н т ы:
кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок» 
Ивановского государственного энергетического университета; 
кафедра «Электрооборудование, электропривод и автоматика» 
Нижегородского государственного технического университета;
д-р техн. наук, профессор М.Г. Юньков

УДК 62-83(075.8)
ББК 
31.291я73
 
О58

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

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Теория электропривода» является одной из основных в цикле профессиональных дисциплин высшего профессионального образования по направлению «Электроэнергетика и электротехника» при подготовке бакалавров по профилю «Электропривод и автоматика» и магистров по профилю «Электропривод и 
автоматика механизмов и технологических комплексов».
Содержание предлагаемого учебника соответствует ФГОС ВПО 
по направлению 13.03.02 (140400) «Электроэнергетика и электротехника».
Теория электропривода — это прикладная научная дисциплина, 
отражающая общие закономерности электромагнитных и электромеханических процессов, определяющих работу электропривода и 
составляющих его устройств, дающая целостное представление об 
электроприводе как технической системе, осуществляющей преобразование электрической энергии в механическую и управление преобразованной энергией.
Теория электропривода изучает сложный технический объект — 
автоматизированный электропривод, включающий в себя:

 
• электромеханический преобразователь энергии — электрический двигатель, процессы в котором описываются законами 
электромеханики;

 
• кинематическую схему и механическую часть электропривода, 
законы движения которой исследуются методами теоретической механики;

 
• электрическое преобразовательное устройство, изучение которого 
опирается на положения силовой полупроводниковой техники;

 
• управляющие устройства, математические методы анализа и синтеза которых разработаны в теории автоматического управления.
Из этого следует, что объем специальных знаний, составляющих 
содержание данной дисциплины, значителен и разнообразен. Теория 
электропривода изучает процессы, характеристики и взаимодействие 
всех четырех составляющих частей электропривода, имеющих различную физическую природу. Поскольку эти части с точки зрения 
выполнения электроприводом своих функций находятся в единстве 
и взаимосвязи, их изложение в данном учебнике имеет общую методологическую основу — рассмотрение процессов преобразования 
энергии. Предлагаемое содержание дисциплины «Теория электропривода» позволяет объединить и последовательно изложить энергетические процессы в электроприводе и общие принципы управления этими процессами.

Некоторая неравномерность объема материала, относящегося к 
энергетической и управленческой функциям автоматизированного 
электропривода связана с тем, что отдельная дисциплина «Системы 
управления электроприводов» является логическим продолжением 
дисциплины «Теория электропривода» [1], поэтому вопросы управления электроприводами рассмотрены лишь в общем плане без раскрытия технических реализаций систем автоматического управления 
электроприводами.
Теория электропривода, как теоретическая дисциплина, рассматривает общие вопросы, абстрагируясь от многих частных особенностей. При этом основная цель этой дисциплины — физическое объяснение электромагнитных и электромеханических процессов, происходящих в устройствах электропривода и математическое 
описание этих процессов. Математическое описание создает базу для 
компьютерного моделирования процессов и синтеза систем управления.
Учебник охватывает следующие вопросы:
 
• основы электромеханического преобразования энергии;
 
• преобразование механической энергии в электроприводе;
 
• преобразование электрической энергии посредством силовых 
полупроводниковых преобразователей;
 
• статические и динамические характеристики и математические 
модели основных систем электропривода;
 
• принципы построения систем автоматического регулирования 
координат электропривода.
 
• расчет мощности и выбор типа электродвигателя.
Первая тема излагает основной вопрос электромеханики — электромеханическое преобразование энергии. Основное внимание уделено принципам работы электрических машин, условиям преобразования электрической энергии в механическую, математическому 
описанию электромагнитных и электромеханических процессов в 
обобщенной электрической машине.
Вторая тема посвящена преобразованию механической энергии 
в электроприводе. Рассматривается передача движения от вала двигателя рабочему органу (РО) производственной машины посредством различных видов механических передаточных устройств. Анализируется уравнение движения электропривода для жесткой механической системы, системы, содержащей упругие связи, и для других 
кинематических схем механической части электропривода.
В третьей главе рассмотрены основные виды силовых полупроводниковых преобразователей, используемых в регулируемом электроприводе с двигателями постоянного и переменного тока. Анализируются статические и динамические характеристики преобразователей.

Четвертая глава учебника касается общих принципов построения 
систем автоматического регулирования электроприводов. Рассмотрены общие подходы к формированию требуемых статических и динамических характеристик электроприводов при регулировании 
основных координат электропривода (тока, момента, скорости).
Следующие три темы посвящены изучению динамических 
свойств электрических двигателей, как объектов управления. Рассматривая каждый тип двигателя как частный случай обобщенной 
электрической машины, дается математическое описание электромагнитных и электромеханических процессов и анализируются статические и динамические характеристики основных типов электродвигателей.
Изучение указанных тем позволяет перейти к рассмотрению основных систем регулируемого электропривода, рассмотреть их функциональные и структурные схемы, математические модели, способы 
управления, статические и динамические характеристики и перейти 
к изучению характеристик электромеханической системы в целом, 
рассматривая ее как объект регулирования.
В заключительной главе излагаются общие принципы проектирования электроприводов в части расчета мощности и выбора типа 
электродвигателя.
Материал учебника не повторяет содержание общего курса 
«Электрический привод» [2, 3]. Поэтому приступать к изучению 
теории электропривода следует после изучения дисциплины «Электрический привод». В методическом плане автор стремился сохранить традиционные основы изложения материала, заложенные в 
учебниках В.И. Ключева «Теория электропривода» [4].
Автор посвящает эту книгу своей жене Нитиевской Алле Ивановне, вложившей большой труд в ее создание.

ВВЕДЕНИЕ

В.1.  Общая хаРактЕРИСтИка эЛЕктРОПРИВОДа

Электропривод — это техническая система, предназначенная 
для приведения в движение РО машин и целенаправленного управления рабочими процессами. Современный электропривод выполняет две основные функции:
 
• преобразование электрической энергии в механическую, необходимую для осуществления технологических процессов;
 
• управление координатами электропривода (скорость, момент, 
усилие, положение) и собственно технологическим процессом 
посредством регулирования координат электропривода.
Электропривод потребляет около 60% всей вырабатываемой в 
стране электрической энергии и является энергетической основой 
современного машинного производства. Автоматизированный электропривод важная область техники, определяющая развитие машиностроения, создание новых технологий и энергосбережение.
Электрический привод как современная наукоемкая отрасль техники, имеет свои характерные особенности:
♦ в научном плане сочетаются достижения в области электромеханики, силовой электроники, компьютерной техники, теории 
управления; в производственном плане — технологии электротехники, электроники, машиностроения;
♦ тесная взаимосвязь с технологиями машинного производства. 
Совершенствование отдельных промышленных технологий ставит 
новые вопросы, определяющие конкретные задачи и развитие электропривода, например, прецизионные электроприводы с числовым 
программным управлением (ЧПУ). В свою очередь, развитие электропривода (например, создание частотно­регулируемых электроприводов) делает возможным совершенствование технологических процессов в различных отраслях промышленности и хозяйства;
♦ ускоренное качественное развитие, быстрая смена поколений 
техники и моральное устаревание предыдущих генераций, причем 
само развитие обусловлено принципиально новыми научными достижениями.
Возникновение понятия «Электрический привод» связывают с 
открытием использования электромагнитной энергии для совершения механической работы Сальватором Дель Негро (1830 г.) и с созданием Б.Я. Якоби в 1837 г. первого реального электропривода для 
катера, который приводился в движение электродвигателем посто

янного тока. Началом становления теории электропривода как самостоятельной прикладной науки можно считать выход в 1925 г. 
книги С.А.Ринкевича «Электрическое распределение механической 
энергии. Теория электропривода», в которой с большой полнотой 
рассматривались теоретические вопросы, связанные с созданием и 
использованием электроприводов. В дальнейшем вопросы теории 
электропривода получили развитие и качественно новое содержание 
в трудах ученых многих стран, в том числе создавших в России научно­педагогическую школу электропривода (профессора В.К. Попов, Ю.А. Сабинин, С.А. Ковчин, А.Т. Голован, Д.П. Морозов, 
М.Г. Чиликин, В.И. Ключев).

В.2.  СтРуктуРа эЛЕктРОПРИВОДа

Электропривод состоит из электродвигательного, механического передаточного, электрического преобразовательного и информационно­управляющего устройств.
Электродвигательное устройство — это электрический двигатель, 
преобразующий электрическую энергию в механическую — электромеханический преобразователь энергии.
Двигатели могут быть различными по виду создаваемого ими движения: вращательного, линейного, шагового, вибрационного и др. 
Большинство используемых электродвигателей — это машины вращательного движения. Для передачи движения от электродвигателя 
к РО машины служит механическое передаточное устройство: редуктор, трансмиссия, ременная передача, канатная передача, кривошипно­шатунный механизм, передача винт­гайка и др. Передаточный механизм характеризует коэффициент передачи, представляющий собой отношение скорости на входе к скорости на выходе 
механизма. В некоторых высокоскоростных рабочих машинах (например, насосы, вентиляторы, центрифуги) механическое передаточное устройство, как правило, отсутствует.
Преобразовательное устройство — это полупроводниковый преобразователь электрической энергии. Такие устройства применяют 
в регулируемом электроприводе для целенаправленного и экономичного изменения параметров движения электропривода: скорости, 
развиваемого момента и др. Поскольку электроприводы получают 
электрическую энергию, как правило, от промышленной электрической сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц со стандартным значением напряжения (220, 380, 660, 6 000, 10 000 В), то 
для питания двигателей (например, постоянного тока) и для их регулирования (например, частотное регулирование двигателей переменного тока) необходимо преобразование электрической энергии, 
поступающей из сети, в электрическую энергию того вида, который 

необходим данному электродвигателю. К электрическим преобразовательным устройствам относятся управляемые выпрямители, преобразователи частоты и др. В нерегулируемых электроприводах преобразовательные устройства, как правило, отсутствуют за исключением устройств плавного пуска.
Электродвигательное, передаточное и преобразовательное устройства образуют силовой канал электропривода (рис. В.1), содержащий электрическую часть (сеть, преобразователь электрической 
энергии, электродвигатель) и механическую часть (ротор и вал электродвигателя, механическая передача, РО машины).

Рис. В.1. Структура силового канала электропривода

При работе электропривода в двигательном режиме электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется электродвигателем в механическую энергию, которая передается РО машины 
и расходуется на выполнение технологического процесса (резание 
в металлорежущих станках, подача воды насосами, подъем груза краном и т.п.). Во всех звеньях силового канала часть энергии теряется. 
Следует стремиться сокращать потери энергии при ее преобразовании и передаче. Энергетическую эффективность электропривода 
обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия 
(КПД), который при однонаправленном потоке энергии определяют 
как отношение полезной мощности Pпол  на рабочем органе к потребляемой мощности Pпотр: η
η η
η
эп
пол

потр
пр
эм п
м.п
=
=
P
P
.
.

Коэффициент полезного действия электропривода равен произведению КПД электрического ηпр, электромеханического ηэм п
.  преобразователей и механической передачи ηм п
. .  Для того чтобы оценить КПД рабочей машины в целом, КПД электропривода нужно 
умножить на КПД самой рабочей машины ηр м
.  (например, насоса):

η
η η
=
=
P
P
техн
потр
эп
р м
. ,где Ртехн — технологически необходимая мощность для выполнения данного производственного процесса.
Электроприводы могут работать не только в двигательном, но и в 
тормозном режиме (например, спуск груза, принудительное торможение машины при останове и т.п.). В этом случае энергия торможения — потенциальная энергия спускаемого груза или кинетиче

ская энергия движущихся масс — поступает в электромеханический 
преобразователь, который работает в режиме генератора. Эта энергия 
за вычетом потерь и совершаемой РО в процессе торможения работы 
отдается в питающую сеть, если система допускает рекуперацию 
энергии. Если не допускает — избыток энергии рассеивается в балластном сопротивлении R. Направление потока энергии в режиме 
торможения показано на рис. В.1 пунктирной линией.
Важнейшей функцией электропривода является управление преобразованной механической энергией, т.е. управление технологическим процессом. Его реализует входящее в состав электропривода 
информационно­управляющее устройство. Общая структура электропривода показана на рис. В.2. 
Информационно­управляющее устройство состоит из аппаратов 
управления и защиты, осуществляющих включение, пуск, останов 
электропривода и защиту от аварийных и аномальных режимов работы, а также из электронных и микропроцессорных устройств 
управления, регуляторов и датчиков технологических, механических 
и электрических параметров, характеризующих работу электропривода. Совокупность информационных и управляющих устройств 
образует информационный канал электропривода, предназначенный 
для управления координатами электропривода в соответствии с требованиями технологического процесса. Важной функцией системы 
управления является также осуществление технологического процесса с минимальными затратами электрической энергии.

Рис. В.2. Структурная схема автоматизированного электропривода: ЭМП — 
электромеханический преобразователь (двигатель); ЭП — электрическое 
преобразовательное устройство; МП — механическая передача; РО — рабочий орган; 
СУЭП — система управления электроприводом; СУТП — система управления 
технологическим процессом; АСУТП — автоматизированная СУТП

В последние годы информационный канал электропривода все в 
большей степени реализуют, используя устройства управляющей 
вычислительной техники: промышленные компьютеры, программируемые контроллеры, микропроцессорные средства и системы. Это 
позволяет, в частности, управлять отдельными электроприводами от 
управляющих устройств более высокого уровня (АСУТП), объединяющих управление всеми производственными машинами, обслуживающими данный технологический процесс.

В.3.  кЛаССИфИкацИя эЛЕктРОПРИВОДОВ

Электроприводы, используемые в различных технологических 
установках, разнообразны по своим функциональным возможностям, 
схемному и конструктивному исполнению, степени автоматизации, 
что связано с большим разнообразием рабочих машин (табл. В.1).

Т а б л и ц а  В . 1

классификация автоматизированных электроприводов

Классификационный признак
Классификационные градации

По числу РО, приводимых 
электроприводом
Индивидуальный; многодвигательный;
групповой

По виду движения 
электродвигателя
Вращательного движения; линейный;
многокоординатного движения

По способу соединения 
двигателя с РО
Редукторный; безредукторный;
конструктивно-интегрированный

По регулируемости
Нерегулируемый; регулируемый

По основному контролируемому 
параметру
Регулируемый по моменту; скорости;
положению

По виду управления
С ручным управлением; с полуавтоматическим управле-
нием; с замкнутой САР скорости с ручным заданием или 
с заданием от системы управления технологическим 
процессом; с замкнутой САР положения, обеспечиваю-
щей точное позиционирование; с программным управле-
нием; следящий

Электроприводы бывают индивидуальные и групповые. Если каждый РО машины приводится в действие своим электроприводом, то 
его называется индивидуальным. Такой привод может быть однодвигательным, либо многодвигательным. При групповом электроприводе один двигатель приводит в движение несколько РО. При 
этом усложняется кинематическая цепь рабочей машины и затрудняется управление РО, так как для раздельного управления необходимо применять специальные механические устройства: управляе