Электропривод переменного тока

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования 
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

 
 
 
 
 
 
 
А.Ю. Чернышев, Ю.Н. Дементьев, И.А. Чернышев 
 
 
 
ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 
 
 
 
Допущено УМО по образованию в области энергетики и электротехники 
в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, 
обучающихся по специальности 140604 «Электропривод и автоматика 
промышленных установок и технологических комплексов» направления 
подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» 
 
 
2-е издание 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Издательство 
Томского политехнического университета 
2015 

УДК 68-83-523(075.8) 
ББК 31.291.я73 
Ч-49 

Чернышев А.Ю. 
    Ч-49 
 
Электропривод переменного тока : учебное пособие / 
А.Ю. Чернышев, Ю.Н. Дементьев, И.А. Чернышев ; Томский политехнический университет. – 2-е изд. – Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2015. – 210 с. 

ISBN 978-5-4387-0556-7 

В учебном пособии приведены примеры промышленных систем 
управления электроприводами переменного тока. Описана работа по функциональным схемам, даны особенности настройки. Рассмотрены вопросы 
расчета статических и динамических механических и электромеханических 
характеристик наиболее распространенных систем автоматизированного 
электропривода с двигателями переменного тока. Приведены схемы имитационных моделей для расчета динамических характеристик электроприводов переменного тока.  
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 140604 
«Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов», и магистров, обучающихся по магистерской программе 
140611 «Электроприводы и системы управления электроприводов» направления подготовки 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». 
УДК 68-83-523(075.8) 
ББК 31.291я73 
 
Рецензенты 
 
Доктор технических наук, профессор кафедры конструирования  
электронно-вычислительной аппаратуры ТУСУРа 
В.А. Бейнарович 
 
Кандидат технических наук, доцент кафедры электроники  
и автоматики физических установок СГТА 
В.Б. Терехин 
 
 
 

 
ISBN 978-5-4387-0556-7 
© ГОУ ВПО НИ ТПУ, 2011 
© Чернышев А.Ю., Дементьев Ю.Н., 
Чернышев И.А., 2011 
© Оформление. Издательство Томского  
политехнического университета, 2015 

ВВЕДЕНИЕ 

Электродвигатели переменного тока являются самыми распространенными видами электрических машин. Они применяются во всех областях человеческой деятельности, где необходимо преобразование электрической энергии в механическую. 
Процесс производства электродвигателей переменного тока сравнительно прост, технологичен и в настоящее время практически полностью автоматизирован, его можно рассмотреть на примере асинхронного двигателя. 
Короткозамкнутые обмотки беличьей клетки роторов асинхронных 
двигателей на мощности до нескольких сотен киловатт выполняют заливкой пазов алюминием либо его сплавами. Одновременно с заливкой 
стержней отливают и замыкающие кольца, и вентиляционные лопатки. 
Стержни обмотки не изолируют от штампованных пластин сердечника 
ротора. Такая конструкция ротора позволяет получить двигатель с малым 
моментом инерции, к тому же он может работать при повышенных температурах, а при тщательной балансировке – и при повышенных угловых 
скоростях вращения, достигающих десятки тысяч оборотов в минуту.  
Механическая обработка станин, валов и роторов двигателей производится на автоматических линиях, штамповка листов магнитопровода – на пресс-автоматах. Автоматизирована сборка сердечников статора, 
механизирована сборка и заливка ротора. Укладка статорной обмотки 
производится на автоматических станках, а пропитка и сушка обмоток – 
на автоматических установках [13]. 
В электрических машинах переменного тока отсутствуют ограничения по предельной мощности, а питание обмотки статора может производиться от сети с напряжением в десятки киловольт. Отсутствие щеточно-коллекторного узла значительно сократило эксплуатационные затраты на обслуживание электродвигателей переменного тока. 
В двадцатом веке асинхронные машины применялись, как правило, 
в нерегулируемых электроприводах, пуск которых осуществлялся прямым включением в сеть с помощью магнитных пускателей. Современные пусковые устройства – «мягкие пускатели» – нерегулируемых электроприводов переменного тока позволили производить более экономичные и надежные в эксплуатации электроприводы.  
В настоящее время в своем большинстве эксплуатируемые в производстве регулируемые электроприводы – это электроприводы постоянного тока. К сожалению, ХХ век – век регулируемых электроприводов 
постоянного тока – закончился. Их разработка и серийный выпуск прекращается в большинстве развитых стран мира. 

3

Регулируемый электропривод начала ХХI века – это электропривод 
с асинхронными короткозамкнутыми двигателями и синхронными двигателями с постоянными магнитами, с современными преобразователями частоты на базе силовых модулей MOSFET и IGBT транзисторов 
и микропроцессорным управлением. В последние годы в связи с появлением новых поколений транзисторов и тиристоров, а также относительно недорогих микропроцессоров высокого быстродействия стоимость электроники в электроприводах значительно сократилась и их 
применение расширилось. 
В ближайшее время увеличится сфера применения синхронных реактивных и вентильно-индукторных двигателей. Последний тип двигателей 
находит преимущественное применение в транспортных механизмах, вентиляторных и насосных агрегатах, а также в бытовой технике. 
Следует отметить, что электропривод переменного тока все еще не 
получает на сегодняшний день должного распространения, в том числе 
и из-за недостаточной подготовки как действующего инженерного персонала предприятий, так и уровня подготовки выпускников вузов в области электропривода переменного тока. 
Структурные и функциональные схемы большинства общепромышленных электроприводов переменного тока в настоящее время 
определены. Поэтому проектирование систем автоматизированного 
электропривода сводится в основном к синтезу параметров регуляторов, исходя из необходимого качества переходных процессов двигателя или рабочего органа производственного механизма. В то же время 
продолжают развиваться и совершенствоваться новые системы управления в электроприводе на основе полузамкнутых структурных схем и 
систем с нечеткой (fuzzy) логикой. Такие системы находят применение 
в небыстродействующих электроприводах, например, тепло- и водоснабжения. 
В связи с явной нелинейностью структур электроприводов переменного тока необходимо совершенствование методик по расчету их 
динамических и статических характеристик, так как поддержание с заданной точностью регулируемых координат при изменениях нагрузки 
является определяющим показателем качества систем электропривода. 
Авторы поставили задачу обобщить имеющийся материал по 
электроприводам переменного тока, добавив свои разработки и исследования. 
 
 
 

4

1. ЭЛЕКТРОПРИВОД ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 

1.1. Общие положения 

Электроприводом переменного тока называется электромеханическая система, предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин и механизмов, управления их технологическим процессом, 
состоящая из двигателя переменного тока, преобразовательного устройства, устройства управления и передаточного устройства. 
Функциональная схема электропривода переменного тока представлена на рис. 1.1. 

 
Рис. 1.1. Функциональная схема электропривода переменного тока 

На рис. 1.1 приняты следующие обозначения:  
ПрУ – преобразовательное устройство; 
СПУ – силовое преобразовательное устройство; 
ИСУ – информационная система управления; 
ЭМП – электромеханический преобразователь; 
РД – ротор двигателя; 
ПУ – передаточное устройство; 
ИМ – рабочий орган исполнительного механизма; 
ЗУ – задающие устройства; 
ДОС – датчики обратной связи; 

c
c
c
,
,
U
f
I  – напряжение, частота и ток, потребляемый электроприводом 
из сети; 

1
1
1
,
,
U
f
I  – напряжение, частота и ток обмоток статора двигателя переменного тока; 

Сеть

СПУ
ЭМП
РД

ИСУ
ПУ

ИМ

с
с
с
,
,
f
I
U
1
1
1
,
,
f
I
U

э
э ω
,
M

ω
,
M

ро
ро ω
,
M

гатель
Электродви
ПрУ

ЗУ

ДОС

см
оп
з
,
,
U
U
U

ω
,
, 1
1 I
U

5

э
э
, ω
M
 – электромагнитный момент и скорость вращения магнитного 
поля, созданного обмотками статора; 
, ω
M
 – момент и скорость вращения двигателя; 

ро
ро
, ω
M
 – момент и скорость вращения рабочего органа исполнительного механизма; 

з
оп
см
,
,
U U
U
 – задающие сигналы: задающее напряжение, опорное 
напряжение, напряжение смещения. 
Из определения понятия «электропривод переменного тока» и его 
функциональной схемы следует, что электропривод состоит из четырех 
основных частей: 
 
электрического двигателя переменного тока; 
 
силового преобразовательного устройства; 
 
передаточного устройства; 
 
системы управления. 
Вначале рассмотрим коротко составные части электропривода. 
Электрические двигатели предназначены для преобразования 
электрической энергии в механическую. На рис. 1.1 электрический двигатель состоит из двух частей: электромеханического преобразователя 
энергии ЭМП, преобразующего электрическую энергию в электромагнитную, и ротора двигателя РД, в котором электромагнитная энергия 
преобразуется в механическую. Двигатель развивает момент M  на валу 
ротора, который вращается с угловой скоростью ω . 
Электроприводы переменного тока могут быть реализованы на базе 
следующих двигателей переменного тока: 
 
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором; 
 
асинхронных двигателей с фазным ротором; 
 
синхронных двигателей с независимым возбуждением; 
 
синхронных двигателей с постоянными магнитами; 
 
однофазных асинхронных двигателей; 
 
двигателей двойного питания; 
 
реактивных синхронных двигателей; 
 
синхронных гистерезисных двигателей; 
 
редукторных двигателей; 
 
линейных двигателей; 
 
коллекторных двигателей переменного тока; 
 
электровибрационных двигателей;  
 
емкостных двигателей и т. д. 
В регулируемых электроприводах переменного тока находят применение все основные типы силовых преобразовательных устройств (СПУ): 
 
выпрямители, преобразующие переменное напряжение в постоянное; 

6

 
инверторы, осуществляющие преобразование постоянного напряжения в переменное; 
 
непосредственные преобразователи частоты; 
 
конверторы, обеспечивающие преобразование постоянного напряжения в регулируемое постоянное. 
Передаточные устройства (ПУ) предназначены для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному механизму 
(ИМ) и согласования вида и характера движения электродвигателя и рабочего органа исполнительного механизма. Наиболее характерные типы 
передаточных устройств: 
 
редукторы; 
 
цепные передачи; 
 
ременные передачи; 
 
планетарные системы; 
 
кулисные механизмы; 
 
шарико-винтовая передача; 
 
электромагнитные муфты скольжения и т. д. 
Системы управления электропривода представляют собой совокупность управляющих и информационных систем, предназначенных 
для управления электроприводом с целью обеспечения заданного движения рабочего органа исполнительного механизма. Принципиально 
системы управления различаются по уровню основных функций, которые они выполняют: 
 
пуск, реверс, торможение, а также поддержание угловой скорости с невысокой точностью в статике и динамике. Такую функцию выполняют разомкнутые релейно-контакторные системы управления 
электроприводов постоянного и переменного тока; 
 
поддержание скорости с высокой точностью в статике, а также 
формирование требуемых переходных процессов. Такую функцию выполняют системы преобразователь – двигатель с различными обратными связями, например, по скорости, току двигателя, напряжению 
преобразователя; 
 
слежение за любыми, произвольно изменяемыми входными 
воздействиями. Эту функцию выполняют следящие системы; 
 
отработка заданной программы. Такую функцию выполняют 
системы программного управления; 
 
выбор оптимальных режимов работы. Эту функцию выполняют 
адаптивные системы управления, автоматически изменяющие свою 
структуру, или параметры системы управления с целью, например выработки оптимальных режимов работы. 
Выбор системы управления определяется как технологическим 
процессом, так и технико-экономическими обоснованиями. 

7

1.2. Современный электропривод переменного тока  
и тенденции его развития 

Современный электропривод переменного тока практически полностью отвечает требованиям промышленности, сельского хозяйства, 
науки, вооружений и военной техники по требуемой мощности, диапазону регулирования, скорости и плавности ее регулирования. 
Пределы мощности используемых машин в электроприводах весьма широки – от десятков тысяч киловатт до долей ватт. Так, например, 
в прокатных станах Западно-Сибирского металлургического комбината 
используются синхронные двигатели мощностью 30 МВт. Для привода 
доменных воздуходувок применяются двигатели переменного тока 
мощностью 50 МВт. В то же время емкостные микродвигатели вращения с диаметром ротора до 100 мкм выполняются мощностью до 
6
10  Вт и частотой вращения до 50 000 об/мин. 
В настоящее время основная цель серийно выпускаемых и вновь 
разрабатываемых электроприводов переменного тока направлена в 
первую очередь на увеличение их надежности, уменьшение массогабаритных показателей, стоимости и эксплуатационных расходов.  
Новые системы электроприводов переменного тока получили распространение в связи с дальнейшим развитием микропроцессорной техники и силовой полупроводниковой техники на полностью управляемых тиристорах (GTO) и новых поколений транзисторов, прежде всего 
биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и МДПтранзисторов с индуцированным каналом (MOSFET). 
На современной элементной базе получили возможность реализации следующие системы электроприводов: 
 
для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором – системы фазового управления (регулирование угловой скорости изменением напряжения), частотное регулирование (непосредственный преобразователь частоты, автономный инвертор напряжения, автономный инвертор тока), частотно-токовое управление; 
 
для асинхронного двигателя с фазным ротором – фазовое 
управление, частотное управление в режиме машины двойного питания, 
каскадные схемы, системы с импульсным управлением в цепи выпрямленного тока ротора; 
 
для синхронных двигателей – частотное управление, частотнотоковое управление, вентильный электропривод.  
Для регулируемого электропривода переменного тока появилась 
необходимость разработки специальных конструкций электрических 
машин, предназначенных для регулирования угловой скорости, отлича
8

ющихся от серийно выпускаемых асинхронных и синхронных двигателей, рассчитанных для работы с постоянной скоростью. Это связано 
с перегревом машин переменного тока, работающих на пониженных 
скоростях. Комплектные электропривода должны гарантированно обеспечивать работу в заданном диапазоне скоростей без перегрева двигателя и преобразователя. 

1.3. Механические характеристики электродвигателей  
переменного тока 

При рассмотрении работы электропривода, вращающего рабочий 
орган производственного механизма, необходимо, прежде всего, выявить 
соответствие механических свойств электродвигателя и производственного механизма. Поэтому для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропривода необходимо изучить и механические 
характеристики электрических машин, и производственных механизмов. 
Механическая характеристика электродвигателя определяет зависимость его скорости ω от развиваемого им момента M. Часто вместо угловой скорости ω используют внесистемную физическую величину – частоту вращения n , так как эти величины пропорциональны 
друг другу: 

 
30
π
ω
n


. 
(1.1) 

В этом случае механической характеристикой электродвигателя 
называется зависимость его частоты вращения n  от развиваемого им 
момента M, то есть 
)
(M
f
n 
. 
Степень изменения скорости с изменением момента у различных 
типов электрических машин неодинакова и различается в зависимости 
от жесткости механических характеристик (рис. 1.2).  
 

 
Рис. 1.2. Определение жесткости механической характеристики 

M
1
M
2
M
M


2
ω
1
ω
ω


ω

M
1
M
2
M
M


2
ω
1
ω
ω


ω

9

Под жесткостью механической характеристики 
βk  будем понимать 
отношение приращения момента 
M

 к приращению скорости двигателя ω
 : 

 
1
2
β
1
2

Δ
Δω
ω
ω

M
M
M
k




, 
(1.2) 

где 
1
1
, ω
M
 – момент и угловая скорость в первой точке механической 
характеристики; 
2
2
, ω
M
 – момент и угловая скорость во второй точке 
механической характеристики. 
Механические характеристики электродвигателей переменного 
тока можно разделить на четыре основных типа в зависимости от их 
жесткости 
k : 

 
абсолютно жесткая механическая характеристика, при которой 
скорость с изменением момента остается неизменной. Из (1.2) следует, 
что если 
 0
ω 

, то 
βk   . Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (зависимость 1 на рис. 1.3), синхронные гистерезисные 
двигатели на рабочем участке механической характеристики (зависимость 2 на рис. 1.3); 
 
жесткая механическая характеристика, отличающаяся незначительным изменением угловой скорости с изменением момента. Жесткой 
механической характеристикой обладают асинхронные двигатели (кривая 3, рис. 1.3); 
 
мягкая механическая характеристика отличается значительным 
изменением угловой скорости с изменением момента. Такой характеристикой обладают коллекторные двигатели переменного тока (кривая 4, 
рис. 1.3);  

 
Рис. 1.3. Механические характеристики электродвигателей 

 
абсолютно мягкая механическая характеристика, при которой 
момент двигателя остается неизменным с изменением угловой скоро
M

1

2

ω

3

4

5

M

1

2

ω

3

4

5

10