Электрический привод

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 
ПРИВОД

УЧЕБНИК

В.В. МОСКАЛЕНКО

Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебника для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального 
образования по укрупненной группе специальностей 
13.02.00 «Электро- и теплоэнергетика»

Москва
ИНФРА-М
2020

УДК 62-83(075.32)
ББК 31.291я723
 
М82

Москаленко В.В.
М82  
Электрический привод : учебник / В.В. Москаленко. — Москва : 
ИНФРА-М, 2020. — 364 с. — (Среднее профессиональное образование). 

ISBN 978-5-16-014733-8
В учебнике изложены основы электрического привода. Рассмотрены 
назначение и реализации электроприводов с двигателями постоянного 
и переменного тока, их схемы, характеристики, энергетические режимы, 
способы регулирования переменных электропривода в установившемся 
и переходных режимах. Приведены краткие сведения по элементной базе 
электроприводов, а также данные из теории автоматического регулирования. Рассмотрены разомкнутые и замкнутые схемы управления электроприводов и даны примеры схем автоматизации технологических процессов, а также вопросы проектирования электроприводов, энергетики 
и энергосбережения в электроприводе и средствами электропривода. Изложение теоретического материала сопровождается примерами решения 
типовых задач, задачами для самостоятельного решения и контрольными 
вопросами.
Для студентов, обучающихся по укрупненной группе специальностей 
«Электро- и теплоэнергетика». Может быть полезен для инженерно-технических работников и студентов других направлений подготовки, изучающих электрический привод.

УДК 62-83(075.32)
ББК 31.291я723

Р е ц е н з е н т ы:
Юньков М.Г., доктор технических наук, профессор, ученый секретарь АО «Электропривод»;
Шевырев Ю.В., доктор технических наук, профессор кафедры механизации и автоматизации горных и геологоразведочных работ Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе

ISBN 978-5-16-014733-8
© Москаленко В.В., 2019

ВВЕДЕНИЕ

В современном промышленном и сельскохозяйственном производстве, на транспорте, в строительстве и коммунальном хозяйстве, 
в быту применяются самые разнообразные технологические процессы, для реализации которых человеком созданы тысячи самых 
разнообразных машин и производственных механизмов. С их помощью осуществляется добыча полезных ископаемых, обрабатываются различные материалы и изделия, перемещаются люди, предметы труда, жидкости и газы и реализуются многие другие процессы, 
необходимые для обеспечения жизни человека, его хозяйственной и 
иной деятельности. Так, добыча полезных ископаемых ведется с помощью экскаваторов, буровых установок и угольных комбайнов, 
детали и материалы обрабатываются на разнообразных станках, 
люди и изделия перемещаются электрическим транспортом, лифтами и эскалаторами, жидкости и газы транспортируются с помощью 
насосов и вентиляторов.
Рабочая машина состоит из множества взаимосвязанных деталей 
и узлов, один из которых непосредственно выполняет заданный технологический процесс или операцию и поэтому называется исполнительным органом. В лифтах — это кабина, в экскаваторах — ковш, 
у вентиляторов и насосов рабочее колесо (крыльчатка), во фрезерном 
станке — фреза и т.д. Некоторые рабочие машины — металлообрабатывающие станки, экскаваторы, грузоподъемные механизмы — 
могут иметь несколько исполнительных органов.
Отметим при этом одно очень важное обстоятельство — все названные технологические процессы осуществляются за счет механического движения исполнительных органов. При этом исполнительный орган в процессе выполнения заданной технологической операции должен преодолевать сопротивление своему движению, 
которое может быть обусловлено трением движущихся частей, силой 
притяжения Земли, упругой и пластической деформацией обрабатываемых изделий и веществ или другими факторами. Для преодоления этого сопротивления движению к исполнительному органу 
должна быть подведена механическая энергия от устройства, которое 
в соответствии со своим назначением получило название привод.
Механическая энергия вырабатывается приводом за счет использования других видов энергии. В зависимости от вида используемой 
энергии различают гидравлический, пневматический, тепловой и 
электрический приводы. В современном промышленном производстве, коммунальном хозяйстве и в других областях наибольшее применение имеет электрический привод (ЭП), на долю которого приходится более 60% потребляемой в стране электроэнергии.

Такое широкое применение ЭП объясняется целым рядом его 
достоинств и преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в том числе и в механическую, наиболее экономично; большой диапазон мощности электроприводов и скорости их движения; разнообразие конструктивных 
исполнений, что позволяет рационально сочленять привод с исполнительным органом рабочей машины и использовать для работы в 
различных условиях — в воде, в среде агрессивных жидкостей и газов, в космическом пространстве и т.д.; простота автоматизации технологических процессов; высокий КПД и экологическая чистота.
Применение в промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве, на электрическом транспорте, в сельскохозяйственном производстве и других сферах народного хозяйства современных технологий и техники характеризуется их широкой автоматизацией и 
комплексной механизацией, что позволяет повысить производительность и надежность рабочих машин и механизмов, качество выпускаемой продукции и выполняемых технологических операций. Большое значение при этом имеет и проблема эффективного использования энергетических и материальных ресурсов.
В решении этих и ряда других задач ведущую роль играет электрический привод, являющийся энергетической основой реализации 
технологических процессов и важнейшей частью систем их комплексной автоматизации. Необходимость увеличения эффективности реализации технологических процессов, обеспечения энерго- 
и ресурсосбережения, повышения надежности работы технологического оборудования и самого электропривода определяют постоянно 
расширяющиеся области и объемы применения регулируемых ЭП. 
Так, если в настоящее время доля регулируемых электроприводов 
составляет примерно 10% от общего количества электроприводов, 
то в перспективе, по мнению экспертов, она может возрасти до 50%.
Отчетливо выраженная тенденция в развитии регулируемых электроприводов массового назначения состоит во все более широком 
использовании электроприводов с асинхронными и синхронными 
двигателями с управлением от полупроводниковых преобразователей 
частоты и регуляторов напряжения, а также электроприводов с вентильными и вентильно-индукторными двигателями. Для ряда рабочих машин и механизмов применение продолжают находить и регулируемые электроприводы с двигателями постоянного тока.
Прогрессу в развитии ЭП способствует широкое применение в 
его составе силовых полупроводниковых преобразователей, совершенных электрических машин и аппаратов, микропроцессорных 
средств управления. Тем самым проектирование, изготовление, монтаж, наладка, эксплуатация и модернизация современных ЭП до

ступны специалистам, имеющим высокий уровень профессиональной подготовки и квалификации, которые должны ясно представлять назначение и возможности ЭП, разбираться в основных 
физических процессах, протекающих в ЭП, знать назначение, 
устройство, принцип действия, свойства и характеристики ЭП в целом и отдельных его компонентов, анализировать работу схем управления ЭП, иметь определенные навыки проектирования ЭП.
Книга предназначена для студентов, обучающихся по укрупненной группе специальностей 13.02.00 «Электро- и теплоэнергетика». Изучение курса «Электрический привод» основывается 
на знаниях студентов по физике, математике, электротехнике, электронике и преобразовательной технике, электрическим машинам 
и аппаратам, теории автоматического управления и микропроцессорной технике.
Автор выражает признательность рецензентам книги за полезные 
замечания и советы, которые были учтены при работе над рукописью.

ГлаВа 1 
ЭлЕктропрИВоД. оБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Большое число реализуемых с помощью электропривода технологических процессов определяет многообразие уже действующих и 
вновь создаваемых электроприводов. Между собой они различаются 
назначением, степенью автоматизации, характером движения двигателя, используемой элементной базой и многими другими признаками, по которым осуществляется их классификация. История 
электропривода показывает процесс его развития и совершенствования.

1.1. НазНачЕНИЕ И клаССИфИкацИЯ ЭлЕктропрИВоДоВ

Для приведения в движение исполнительных органов рабочих 
машин и механизмов и управления этим движением электропривод 
(ЭП) включает в себя совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом электротехнических, электромеханических 
и механических элементов и устройств. Такая электромеханическая 
система и получила название электрического привода, общая структурная схема которого приведена на рис. 1.1.
Основным элементом ЭП является электрический двигатель 
(ЭД), который вырабатывает механическую энергию (МЭ) за счет 
потребляемой от источника электроэнергии (ИЭЭ) электрической 
энергии (ЭЭ). В некоторых режимах работы ЭП электродвигатель 
осуществляет и обратное преобразование энергии, получая механическую энергию от исполнительных органов (ИО) и работая при 
этом в генераторном режиме.
От электродвигателя механическая энергия подается на исполнительный орган (ИО) рабочей машины (РМ) через механическую передачу (МП). В некоторых случаях ИО непосредственно соединяется 
с ЭД, что соответствует так называемому безредукторному ЭП.

рис. 1.1. Структурная схема электропривода

Электрическая энергия поступает в ЭП от источника электроэнергии через преобразователь электрической энергии (Пр).
Функции управления и автоматизации работы ЭП осуществляются устройством управления (УУ). Это устройство вырабатывает 
сигнал управления Uу с использованием сигнала задания (уставки) 
Uзад, задающего характер движения исполнительного органа, дополнительных сигналов Uд.с (сигналов обратных связей), дающих информацию о ходе технологического процесса, характере движения 
исполнительного органа и работе отдельных элементов ЭП, а также 
сигналов системы защиты, блокировок и сигнализации Uзащ. Сигналы Uд.с и Uзащ поступают от соответствующих датчиков переменных ЭП и технологического оборудования. Для преобразования этих 
сигналов в состав устройства управления входят устройства сопряжения и обработки поступающей информации. Преобразователь Пр 
вместе с устройством управления УУ образуют систему управления 
СУ электропривода.
Итак, электрическим приводом называется электромеханическая 
система, состоящая из взаимодействующих электрических, электромеханических и механических преобразователей, а также управляющих и информационных устройств и устройств сопряжения, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов 
рабочих машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса [4].
Назначение указанных на рис. 1.1 элементов состоит в следующем.
Электродвигатель (ЭД) — электромеханический преобразователь, 
предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую, в некоторых режимах работы ЭП — для обратного преобразования энергии. В его качестве используются двигатели постоянного тока с различными видами возбуждения, асинхронные и 
синхронные двигатели, шаговый двигатель, вентильный и вентильно-индукторный двигатели, двигатели с катящимися и волновыми роторами, редукторные и другие типы двигателей.
Преобразователь электроэнергии (Пр) — электротехническое 
устройство, предназначенное для преобразования электрической 
энергии одних параметров или показателей в электроэнергию других 
параметров или показателей и управления процессом преобразования энергии. Примерами этих устройств являются выпрямитель, 
преобразователь частоты, регуляторы напряжения постоянного и 
переменного тока, инверторы, импульсные преобразователи напряжения.
Механическая передача (МП) — механический преобразователь, 
предназначенный для передачи механической энергии от электродвигателя к исполнительному органу рабочей машины и согласова

ния вида и скоростей их движения. В ее качестве используются редуктор, волновая передача, передача винт — гайка, реечная, цепная 
и ременная передачи, кривошипно-шатунный механизм и ряд других 
механических устройств.
Управляющее устройство (УУ) — совокупность элементов и 
устройств, предназначенная для формирования управляющих воздействий в ЭП и обеспечивающая взаимодействие ЭП с сопредельными системами и его отдельных частей. В его составе могут использоваться цифровые и аналоговые регуляторы, микропроцессорные 
средства управления, реле различного типа, устройства памяти, логические устройства, драйверы, цифроаналоговые (ЦАП) и аналогоцифровые (АЦП) преобразователи, разнообразные датчики переменных ЭП и технологического процесса.
Система управления ЭП (СУ) — совокупность преобразователя 
электроэнергии и устройства управления, предназначенная для 
управления электромеханическим преобразованием энергии с целью 
обеспечения заданного движения исполнительного органа рабочей 
машины.
Рабочая машина (РМ) — машина, осуществляющая изменение 
формы, свойств, состояния и положения предметов труда. 
Исполнительный орган рабочей машины (ИО) — движущийся элемент рабочей машины, выполняющий технологическую операцию.
ЭП классифицируются по характеру движения, типам электродвигателя и силового преобразователя, количеству используемых 
электродвигателей, структурам и технической реализации систем 
управления, наличию или отсутствию механической передачи и т.д. 
Подробно классификация ЭП приведена в [4], здесь же выделим 
только наиболее важные ее составляющие.
1. По соотношению числа двигателей и исполнительных органов 
рабочих машин различают:
 
• групповые ЭП, обеспечивающие движение исполнительных органов нескольких рабочих машин или движение нескольких исполнительных органов одной рабочей машины;
 
• индивидуальные ЭП, обеспечивающие движение одного исполнительного органа одной рабочей машины;
 
• взаимосвязанные ЭП, состоящие из двух или более двигателей 
или механически связанных между собой ЭП, при работе которых поддерживается заданное соотношение их скоростей и 
(или) нагрузок, и (или) положения исполнительных органов рабочих машин. При наличии механической связи между ЭП взаимосвязанный ЭП называется многодвигательным, при наличии электрической связи — электрическим валом.
2. По характеристике движения исполнительных органов рабочих 
машин различают:

• ЭП вращательного движения, обеспечивающие вращательное 
движение исполнительных органов рабочих машин;
 
• ЭП поступательного движения, обеспечивающие поступательное движение исполнительных органов рабочих машин;
 
• ЭП возвратно-поступательного движения, обеспечивающие 
возвратно-поступательное (вибрационное) движение исполнительных органов рабочих машин;
 
• ЭП непрерывного движения, обеспечивающие непрерывное 
движение исполнительных органов рабочих машин;
 
• ЭП дискретного движения, обеспечивающие дискретное перемещение исполнительных органов рабочих машин;
 
• реверсивные ЭП, обеспечивающие движение исполнительных 
органов рабочих машин в любом из двух противоположных направлений;
 
• нереверсивные ЭП, обеспечивающие движение исполнительных органов рабочих машин только в одном направлении;
 
• многокоординатные ЭП, обеспечивающие движение исполнительных органов рабочих машин по двум или более пространственным координатам;
 
• моментный ЭП, обеспечивающий заданный момент или усилие 
на исполнительных органах рабочих машин;
 
• позиционный ЭП, обеспечивающий перемещение и установку 
исполнительных органов рабочих машин в заданное положение;
 
• многоскоростные ЭП, обеспечивающие движение исполнительных органов рабочих машин с любой из двух или более 
фиксированных скоростей;
 
• регулируемые ЭП, обеспечивающие управляемое изменение координат движения исполнительных органов рабочих машин;
 
• нерегулируемые ЭП, не обеспечивающие управляемое изменение координат движения исполнительных органов рабочих машин;
 
• ЭП согласованного движения, обеспечивающие согласованное 
движение двух или более исполнительных органов рабочих машин.
3. По характеристике и структуре системы управления различают:
 
• неавтоматизированные ЭП, операции по управлению которыми 
выполняет оператор;
 
• автоматизированные ЭП, все или часть операций управления в 
которых выполняют устройства управления;
 
• следящие ЭП, обеспечивающие перемещение исполнительных 
органов рабочих машин в соответствии с произвольно изменяющимся входным задающим сигналом;

• ЭП с программным управлением, обеспечивающие перемещение исполнительных органов рабочих машин в соответствии с 
заданной программой;
 
• адаптивные ЭП, автоматически избирающие структуру и (или) 
параметры своей системы управления при изменении возмущающих воздействий;
 
• ЭП с регулированием энергетических показателей, обеспечивающие заданный закон изменения одного или нескольких энергетических показателей работы;
 
• ЭП с разомкнутой (замкнутой) системой управления, в которых 
отсутствуют (имеются) обратные связи по регулируемым координатам и (или) по возмущающему воздействию.
4. По технической (аппаратной) реализации элементов ЭП различают:
 
• ЭП постоянного (переменного) тока, содержащие двигатели 
постоянного (переменного) тока;
 
• тиристорные (транзисторные) ЭП, содержащие тиристорные 
(транзисторные) преобразователи электроэнергии;
 
• система «генератор — двигатель» (система «статический преобразователь — двигатель») — ЭП, в состав которых входят электромашинные (статические) преобразователи электроэнергии;
 
• ЭП с релейно-контакторным (бесконтактным) управлением, 
система управления которыми реализована на основе релейноконтакторной (бесконтактной) аппаратуры;
 
• ЭП с мехатронным модулем, объединяющим двигатель с электронными и электромеханическими компонентами управления, 
диагностики и защиты;
 
• редукторный (безредукторный) ЭП, механическая передача которых содержит (не содержит) редуктор;
 
• маховичный ЭП, механическая передача которых содержит маховик;
 
• дифференциальный ЭП, представляющий собой многодвигательный ЭП, в котором скорость и момент двигателей алгебраически суммируются с помощью механического дифференциала;
 
• ЭП с тормозным устройством (управляемой муфтой), механическая передача которых содержит тормозное устройство (управляемую муфту).

1.2. ИСторИЯ разВИтИЯ ЭлЕктропрИВоДа, ЕГо роль 
В СоВрЕмЕННых тЕхНолоГИЯх

Историю ЭП обычно начинают отсчитывать с разработки русским академиком Б.С. Якоби первого двигателя постоянного тока 
вращательного движения. Установка этого двигателя на небольшой