Системы автоматизированного управления электропривода

Москва
ИНФРА-М
2021

УЧЕБНИК

В.В. МОСКАЛЕНКО

СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
УПРАВЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Рекомендовано Государственным
комитетом Российской Федерации
по строительству и жилищно-коммунальному
комплексу в качестве учебника для студентов
средних специальных учебных заведений,
обучающихся по специальности «Монтаж,
наладка и эксплуатация электрооборудования
промышленных и гражданских зданий»

Москаленко В.В.
Системы автоматизированного управления электропривода : учебник / В.В. Москаленко.  — Москва : ИНФРА-М, 
2021. — 208 с. — (Среднее профессиональное образование).

ISBN 978-5-16-005116-1 (print)
ISBN 978-5-16-109373-3 (online)

Рассмотрены общие принципы построения и структуры систем  управления электропривода. Приведено описание элементов 
и устройств схем управления, рассмотрены разомкнутые и замкнутые 
схемы электроприводов с двигателями постоянного и переменного 
тока. Изложены вопросы применения электроприводов в системах 
автоматизации технологических процессов. Даны основные понятия 
и методы расчета и повышения надежности электроприводов.
Для студентов учебных заведений среднего профессионального 
образования.

УДК 62-83(075.32)
ББК 31.291я723

УДК  62-83(075.32)
ББК  31.291я723
  
М82

© Москаленко В.В., 2004
ISBN 978-5-16-005116-1 (print)
ISBN 978-5-16-109373-3 (online)

М82 

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................... 5
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................... 7

ГЛАВА 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. Основные понятия, термины и определения ................... 9
1.2. Понятие о регулировании координат (переменных)

электропривода.............................................................. 12

1.3. Структуры и принципы построения схем управления

электропривода.............................................................. 14

ГЛАВА 2
ЭЛЕМЕНТЫ И УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

2.1. Силовые полупроводниковые преобразователи

электроэнергии .............................................................. 22

2.2. Электрические аппараты ручного и дистанционного

управления..................................................................... 29

2.3. Аналоговые элементы и устройства управления ............ 39
2.4. Дискретные элементы и устройства управления ............ 44
2.5. Полупроводниковые логические элементы .................... 47
2.6. Микропроцессорные средства управления ..................... 49
2.7. Датчики времени и координат электропривода ............. 54
2.8. Электромагнитные муфты и тормозы ............................. 67
2.9. Защита, блокировки и сигнализация

в электроприводах ......................................................... 70

2.10. Выбор силовых преобразователей,

аппаратов управления, коммутации и защит .............. 80

ГЛАВА 3
РАЗОМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

3.1. Общая характеристика разомкнутых схем управления ...... 87

3.2. Типовые узлы и схемы управления электроприводов

с двигателями постоянного тока .................................. 88

3.3. Типовые узлы и схемы управления электроприводов

с асинхронными двигателями .................................... 101

3.4. Типовые узлы и схемы управления электроприводов

с синхронными двигателями ...................................... 114

ГЛАВА 4
ЗАМКНУТЫЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

4.1. Общая характеристика замкнутых схем управления ......... 119
4.2. Замкнутые схемы управления электропривода

с двигателями постоянного тока ................................ 119

4.3. Замкнутые схемы управления электропривода

с асинхронными двигателями .................................... 136

4.4. Замкнутые схемы управления электропривода

с синхронными двигателями ...................................... 146

4.5. Следящие электроприводы ............................................ 155
4.6. Электроприводы с программным управлением............ 162
4.7. Электроприводы с адаптивным управлением............... 173
4.8. Комплектные и интегрированные электроприводы.......... 175

ГЛАВА 5
ЭЛЕКТРОПРИВОД В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗАЦИИ
ПРОИЗВОДСТВА

5.1. Структуры систем автоматизации производства .......... 179
5.2. Регулируемый электропривод как средство

энергосбережения в технологических процессах ...... 186

5.3. АСУ строительством ...................................................... 190

ГЛАВА 6
НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

6.1. Основные понятия и определения теории

надежности .................................................................. 193

6.2. Методы расчета надежности электроприводов............. 195
6.3. Повышение надежности электроприводов ................... 199

Список литературы ............................................................... 206

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие и совершенствование современных технологических

и производственных процессов в промышленности, сельском хозяйстве, строительстве и в других областях народного хозяйства
характеризуются широким использованием средств автоматизации
и комплексной механизации. Это позволяет освободить человека
от однообразного и тяжелого физического труда, повысить производительность, надежность функционирования технологического оборудования и качество выпускаемой им продукции. Автоматические системы управления позволяют также заменить человека при работе технологического оборудования во вредных и
опасных для его здоровья условиях окружающей среды — космосе, среде агрессивных газов, запыленных помещениях и т.д.

В общем случае автоматизация [1] — это применение техничес
ких средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Автоматизироваться могут технологические процессы, научные и экспериментальные инженерные исследования, проектирование различных объектов, организация, планирование и управление различных
предприятий и организаций. Предметной областью этой книги являются системы управления автоматизированного электропривода и
выполняемые с его использованием системы автоматизации рабочих
машин и механизмов и технологических комплексов.

Электрический привод (ЭП) является энергетической основой

технологических и производственных процессов, которые реализуются за счет механической энергии. Приводя в движение исполнительные органы рабочих машин и механизмов и управляя этим
движением с заданным качеством, ЭП обеспечивает добычу полезных ископаемых, изготовление и обработку различных изделий
и материалов, перемещение людей и грузов и выполнение многих других технологических операций с наилучшими техническими и экономическими показателями. Тем самым современный ЭП
представляет собой важнейшее устройство систем автоматического
управления технологическими процессами.

Многообразие и сложность выполняемых ЭП функций, ис
пользование в его структурах новых, в первую очередь полупроводниковых элементов и устройств, постоянное увеличение числа и видов автоматизированных ЭП требуют высокого уровня
подготовки специалистов, занимающихся их монтажом, наладкой
и эксплуатацией. Они должны хорошо знать элементную базу автоматизированных ЭП, понимать основные принципы построения и работу разомкнутых и замкнутых схем управления ЭП, владеть информацией о комплектных и интегрированных ЭП, системах автоматического управления технологическими процессами
и предприятиями. Важный элемент образования в этой сфере составляют и знания о надежности ЭП.

Книга написана в соответствии с Государственным образова
тельным стандартом среднего профессионального образования и
Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников по специальности 2913 «Монтаж,
наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и
гражданских зданий», введенными в действие с 1 сентября 2002 г.
В ней приводятся основные сведения из теории автоматического
управления, рассматриваются элементная база ЭП и выполненные
на ее основе разомкнутые и замкнутые схемы управления автоматизированного ЭП, а также автоматизация технологических процессов. В нее включены также сведения по надежности работы
ЭП, методам ее расчета и повышения.

Изучение дисциплины «Системы автоматизированного управ
ления электропривода» основывается на знаниях учащихся по
информатике, теоретическим основам электротехники, основам
электронной и микропроцессорной техники, электрическим машинам и основам электропривода. В книгу включен материал по
силовой преобразовательной технике, электрическим аппаратам,
элементам и устройствам систем управления, необходимый для
лучшего понимания работы автоматизированного ЭП.

Для лучшего усвоения материала и освоения учащимися навы
ков практических расчетов книга содержит задачи и примеры их
решения, а с целью проверки степени усвоения материала в конце каждой главы приведены контрольные вопросы.

ВВЕДЕНИЕ

В своей практической деятельности человек использует самые

разнообразные технологические процессы и операции, реализация которых осуществляется с помощью различных рабочих машин и производственных механизмов. Во многих случаях для выполнения технологического процесса эти рабочие машины и механизмы объединяются в единый производственный комплекс,
образуя предприятия различного назначения.

Характерной чертой совершенствования как отдельных рабо
чих машин, так и технологических комплексов в целом является автоматизация их работы, что позволяет повысить их производительность и качество выпускаемой продукции и обеспечить
наилучшие показатели по экономичности и надежности при эксплуатации. Важным фактором является и то, что автоматизация
позволяет освободить человека от тяжелого и однообразного труда, а во многих случаях обеспечить управление технологическими процессами с показателями, недоступными человеку по его
физиологическим возможностям.

Примерами автоматизации отдельных рабочих машин и тех
нологических комплексов могут служить автоматические линии
и гибкие автоматизированные производства, числовое программное управление станками, системы автоматического поддержания угловой скорости вращения (далее в тексте — скорость вращения) двигателей, системы поддержания уровня жидкости в
резервуаре и т.д.

Большое число рабочих машин и производственных меха
низмов: лифтов, конвейеров, насосов, подъемных кранов и
т.д. — для выполнения технологических операций используют
механическую энергию, которую они получают от ЭП. Приводя в движение исполнительные органы этих рабочих машин
и механизмов: кабину лифта, ленту конвейера, рабочее колесо насоса, грузозахватное приспособление подъемного крана —
и управляя этим движением, ЭП становится важнейшей частью общей схемы автоматизации, от функционирования которой зависит в конечном итоге качество реализации технологических процессов.

Характерной чертой развития современного ЭП является по
стоянное расширение и усложнение выполняемых им функций,
что в первую очередь достигается за счет все более широкого использования регулируемых и автоматизированных ЭП. Их применение позволяет повысить качественные и количественные показатели технологических процессов, увеличить надежность функционирования технологического оборудования и самого ЭП,
улучшить условия работы обслуживающего персонала.

Глава 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ, ТЕРМИНЫ

И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Управление представляет собой организацию того или иного

процесса, которая обеспечивает достижение определенных целей.

Система управления — совокупность всех устройств, обеспечи
вающих управление каким-либо объектом или процессом. Если
управление осуществляется без непосредственного участия человека, то система управления называется автоматической. Систему автоматического управления (САУ) образуют устройство
управления и объект управления.

Если отдельные операции управления осуществляет человек

или группа людей, то такие системы управления называются автоматизированными. Для выполнения этих операций человек должен получать информацию о процессе управления и иметь в своем распоряжении соответствующие органы управления объектом
или процессом.

Рис. 1.1. Схема системы автоматического управления

Обобщенная схема САУ показана на рис. 1.1. На ней обозна
чены: 1 — объект управления; 2 — источник информации о задачах управления; 3 — устройства информации о ходе и результатах управления; 4 — устройство обработки информации и выработки сигнала управления; 5 — исполнительное устройство;

6 — устройства информации о функционировании исполнительного устройства.

В некоторых случаях задачей управления является обеспече
ние постоянства некоторой физической переменной: температуры, скорости вращения, давления — или ее изменение во времени по некоторому закону. Такой частный вид управления
обычно называется регулированием. Система автоматического
регулирования (САР) по аналогии с системой автоматического
управления состоит из регулируемого объекта и регулятора. В состав систем автоматического регулирования, кроме регулятора,
входят и другие необходимые для их функционирования устройства. К ним относятся:

• датчики регулируемых переменных, с помощью которых по
лучают информацию об их текущих значениях;

• задатчики регулируемых переменных, с помощью которых

системе задается требуемый уровень регулируемой переменной;

• измерительные устройства, с помощью которых определяет
ся отклонение текущего (фактического) значения регулируемой
переменной от ее заданного значения;

• устройства сопряжения, позволяющие соединить все элемен
ты и устройства системы регулирования в единый комплекс.

Помимо этого, в состав системы регулирования входят эле
менты и устройства, обеспечивающие защиту, блокировки и сигнализацию при ее работе, а в современных системах регулирования — дополнительно тестирование, диагностику и резервирование.

Различают следующие виды САР:
• системы автоматической стабилизации, обеспечивающие под
держание регулируемой величины на заданном уровне с требуемой точностью. К таким системам относятся, например, системы
поддержания температуры в нагревательной печи, система регулирования скорости вращения двигателей и многие другие. Системы стабилизации делятся на астатические и статические.
Астатические системы стабилизации обеспечивают поддержание
регулируемой переменной в статическом режиме на неизменном
уровне при изменениях возмущающего воздействия. Статическими системами называются такие, в которых в установившемся
режиме происходит изменение регулируемой переменной при
изменении возмущающего воздействия. Другими словами, астатические САР обеспечивают регулирование переменных в установившемся режиме без ошибки, т.е. осуществляют регулирование
переменной строго с заданным уровнем, а статические САР —
с некоторой ошибкой;

• следящие системы, которые осуществляют изменение регули
руемой величины во времени по произвольному закону. Примерами такой системы могут служить системы слежения локатором
за целью или система радиоантенны, обеспечивающая связь с космическими объектами;

• системы программного регулирования, которые обеспечивают

изменение регулируемой переменной во времени по определенной программе. К таким системам относятся, в частности, системы числового программного управления станками;

• системы адаптации, обеспечивающие оптимальное регулиро
вание переменной по заданному показателю качества при изменяющихся условиях работы объекта регулирования. К таким системам относятся самонастраивающиеся, самоорганизующиеся и самообучающиеся системы.

Системы с одним входным каналом и одной регулируемой (вы
ходной) переменной носят название одномерных, а с несколькими входными и несколькими выходными — многомерными.

Объект управления (регулирования) при его функционирова
нии подвергается различным воздействиям. Со стороны системы
управления на него действует управляющее (регулирующее) воздействие, обеспечивающее требуемое регулирование заданной переменной.

Со стороны окружающей среды и сопредельных объектов и

систем объект подвергается различным возмущающим воздействиям, которые могут иметь как определенный, так и случайный характер. К возмущающим воздействиям обычно относят и различные аварийные ситуации: исчезновение или колебания питающего
напряжения, поломку в рабочей машине, выход из строя элемента системы управления и т.д. Основная задача систем управления
состоит именно в том, чтобы при всех возможных возмущающих
воздействиях, действующих на объект управления, обеспечить
должным образом его управление.

Первые системы автоматического регулирования практическо
го применения появились в XVIII в. и использовались для автоматизации работы паровых машин. Схема на рис. 1.2 иллюстрирует работу автоматического регулятора уровня воды в паровом
котле паровой машины И.И. Ползунова. Уровень воды в котле
определяется с помощью поплавка 1, с которым связана заслонка
2, регулирующая доступ воды 3 в котел 4. При увеличении отбора
пара уровень воды в котле падает, поплавок опускается вниз, заслонка перемещается вверх и приток воды в котел увеличивается.
По мере восстановления необходимого уровня воды в котле доступ воды в котел уменьшается.