Системы автоматического управления электроприводами

А. И. Бабёр

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО 

УПРАВЛЕНИЯ 

ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Допущено Министерством образования Республики Беларусь  

в качестве учебного пособия для учащихся учреждений образования,  

реализующих образовательные программы среднего  

специального образования по специальностям «Автоматизированные  

электроприводы», «Городской электрический транспорт»,  

«Монтаж и эксплуатация электрооборудования»

Минск
РИПО
2020

УДК 681.51(075.32)
ББК 32.965я723

Б12

А в т о р:

преподаватель УО «Минский государственный 

колледж электроники» А. И. Бабёр

Р е ц е н з е н т ы:

цикловая комиссия спецдисциплин специальностей «Городской 

электрический транспорт», «Автоматизированные электроприводы» 

филила Белорусского национального технического университета 

«Минский государственный политехнический колледж» (О. А. Метлицкая);

заведующий кафедрой автоматизированных систем управления производством 

УО «Белорусский государственный аграрный технический университет»

кандидат технических наук, доцент А. Г. Сеньков

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее 

части не может быть осуществлено без разрешения издательства.

Выпуск издания осуществлен при финансовой поддержке Министерства образо
вания Республики Беларусь.

Б12

Бабёр, А. И.

Системы автоматического управления электроприводами : учеб. посо
бие / А. И. Бабёр. – Минск : РИПО, 2020. – 147… с. : ил.

ISBN 978-985-7234-86-8.

В учебном пособии изложены основы построения и работы разомкнутых, 
В учебном пособии изложены основы построения и работы разомкнутых, 

замкнутых и комплексных систем автоматического управления электропризамкнутых и комплексных систем автоматического управления электроприводами с электродвигателями различных типов, а также оценивания их наводами с электродвигателями различных типов, а также оценивания их надежности. 
дежности. 

Предназначено для учащихся учреждений среднего специального обраПредназначено для учащихся учреждений среднего специального обра
зования по специальностям «Автоматизированные электроприводы», «Городзования по специальностям «Автоматизированные электроприводы», «Городской электрический транспорт», «Монтаж и эксплуатация электрооборудоской электрический транспорт», «Монтаж и эксплуатация электрооборудования». Может быть полезно специалистам, работающим в области электрования». Может быть полезно специалистам, работающим в области электропривода.
привода.

УДК 681.51(075.32)

ББК 32.965я723

ISBN 978-985-7234-86-8 
 
  © Бабёр А. И., 2020

 
 
 
              © Оформление. Республиканский институт

 
 
 
 
        профессионального образования, 2020

ВВЕДЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

В науке, технике, быту и других сферах человеческой дея
тельности широко используют механическое движение, для создания которого применяют различные виды энергии. Механическое перемещение получают, преобразуя имеющуюся энергию 
(электрическую, мускульную, пневматическую, тепловую и т. д.) 
в механическую.

Как известно, приводы служат для преобразования различ
ных видов энергии в механическую. Существует большое разнообразие приводов, название которых происходит от вида энергии, преобразуемой в механическую: гидравлический, пневматический, электрический и др.

Электропривод является наиболее широко применяемым 

приводом в связи с его достоинствами: универсальностью, быстродействием, возможностью передачи электроэнергии на значительные расстояния, относительно простой управляемостью, 
разнообразием электрических датчиков и т. п. 

Электроприводы характеризуются большим разнообразием 

в зависимости от решаемых ими технологических задач. В них 
можно использовать электродвигатели поступательного или вращательного движения постоянного или переменного тока, перемещение которых может быть дискретным или непрерывным. 
Передачу движения от двигателя к исполнительному органу 
можно осуществлять различными механическими устройствами 
(редукторы, винтовые, цепные и ременные передачи, гидравлические устройства и т. д.). Преобразование электроэнергии, 
поступающей от источника, в электроэнергию с параметрами, 
необходимыми для двигателя, выполняют разнообразными силовыми преобразователями: управляемыми вентилями, инверторами тока и напряжения, преобразователями частоты и др.

Все перечисленное выше нуждается в надежном и эффек
тивном управлении, в состав которого входят самые различные 

Введение

устройства – от командоаппаратов и микроконтроллеров до 
управляющих электрических машин.

Управление может быть ручным и автоматическим. Тер
мин «ручной» вовсе не имеет в виду ручное управление всеми 
устройствами, входящими в привод. При ручном управлении 
все этапы перемещения контролируются оператором. При этом 
имеется возможность остановить процесс в необходимой точке. 
Например, пуск асинхронного двигателя с помощью пускателя, 
требующий нажатия кнопки «Пуск», является ручным управлением. При автоматическом управлении все процессы, происходящие в приводе, контролирует система управления. Может 
существовать автоматизированный привод (часть процесса управления осуществ ляется оператором) и автоматический привод (все 
управление автоматическое).

Современное производство все больше переходит к автома
тическому приводу. Это связано не только с освобождением человека от рутинного труда, связанного с постоянным контролем 
за перемещением рабочего органа. Это связано и с тем, что человеку свойственно ошибаться, а автомат ошибается лишь при 
возникновении внештатных ситуаций.

В учебной дисциплине «Электрический привод» рассмотре
ны основные элементы электропривода и способы управления 
ими. В учебной дисциплине «Системы автоматического управления электроприводами» изучаются основные способы автоматического управления электроприводами и необходимая для этого 
элементная база. 

Предполагается, что учащиеся освоили следующие учеб
ные дисциплины: «Электротехника», «Электрические машины», 
«Электрический привод», а также имеют твердые знания по физике, математике, технической механике, целью изучения «Системы автоматического управления электроприводами» является 
знание принципов построения автоматических систем электроприводов, элементной базы с тем, чтобы легче осваивать и разрабатывать новые, решающие конкретные задачи автоматических и 
автоматизированных электроприводов.

Историю электропривода принято начинать с установки дви
гателя постоянного тока на небольшой катер для приведения во 
вращательное движение его винта. Осуществление этого проекта 
было проведено под руководством академика Петербургской ака

Введение

демии наук Б.С. Якоби в 1838 г. Однако большой роли в развитии 
автоматического и автоматизированного электропривода это не 
сыграло в связи с отсутствием надлежащих источников электроэнергии.

Толчком к развитию электропривода послужила разработка 

инженером М.О. Доливо-Добровольским (1889) трехфазного двигателя переменного тока. До него проблемой были заняты многие ученые (в том числе и знаменитый Тесла), но Доливо-Добровольский показал, что использование трехфазного переменного 
тока в сочетании с трехфазными электродвигателями наиболее 
экономично и перспективно. С тех пор как электропривод, так и 
его автоматизация стали развиваться очень быстрыми темпами. 
Важную роль в этом процессе сыграло изобретение П.Л. Шиллингом электромагнитного реле (1830), которое с небольшими 
изменениями до сих пор используют в технике, и в частности в 
автоматическом электроприводе.

Системы автоматического управления (САУ) электропри
водами прошли долгий путь модернизации и улучшения характеристик во всех областях знаний. Так, в производстве изделий 
микроэлектроники достигнуты точности перемещений рабочего органа, доходящие до долей микрометров (мкм); количество 
перемещений некоторых устройств при позиционировании (т. е. 
с точным перемещением из одной точки в другую) достигает десятков микрометров в секунду. 

В металлообработке в системах ЧПУ даже при больших на
грузках на режущий инструмент точность перемещений в режиме 
движения по заданному контуру достигает единиц микрометра. 

Огромные достижения в области развития электроприводов 

имеются в медицине, космонавтике, сельском хозяйстве. Крупным успехом является создание комплектных электроприводов, 
при которых привод проектируется из комплектов, разработанных и изготовленных заранее на специализированном предприятии. Проектирование привода сводится к соединению необходимых комплектов.

Разработка и использование автоматических электроприво
дов успешно осуществляется в соответствии с требованиями самых разнообразных областей деятельности человека. 

РАЗДЕЛ 1. РАЗОМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ  
РАЗДЕЛ 1. РАЗОМКНУТЫЕ СИСТЕМЫ  
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

1.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
1.1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

1.1.1. Электроприводы и их классификация
1.1.1. Электроприводы и их классификация

Структурная схема разомкнутого электропривода приведена 

на рисунке 1.1. Толстыми линиями показаны силовые (энергетические) каналы, тонкими – каналы управления. 

Uпит
П
М
ПУ

УУ

ЗВ

ИУ

РМ

Uу

Рис. 1.1. Структурная схема разомкнутого электропривода

Основой электропривода является электродвигатель М, кото
рый вырабатывает механическую энергию. Электрическая энергия к двигателю поступает от преобразователя П, который придает ей качества, необходимые для двигателя. Например, преобразователь изменяет напряжение, частоту, выпрямляет переменный 
ток или, наоборот, преобразует постоянный ток в переменный 
и т. д. Иногда преобразователь называют силовым преобразователем, так как его работа связана с преобразованием энергии. 
Управляется преобразователь устройством управления (УУ), вырабатывающим управляющий сигнал Uу, в соответствии с которым производится преобразование. Например, если электродвигатель управляется напряжением, это напряжение изменяется 
в соответствии с изменением Uу. Устройство управления выдает управляющий сигнал Uу по закону изменения задающей ве

1.1. Общие вопросы управления электроприводами

личины – задающего воздействия (ЗВ). Это воздействие может 
иметь различный физический характер: угол поворота курбеля, 
напряжение с потенциометра, поворот рулевого колеса и т. д. Таким образом, двигатель М вращается (перемещается) в соответствии с ЗВ.

Перемещение двигателя поступает на исполнительное устрой
ство (ИУ) рабочего механизма (РМ) с помощью передаточного 
устройства (ПУ), которое может представлять собой любую механическую (редуктор, вал и другие устройства), гидравлическую 
или иную передачу. Передаточное устройство необходимо, чтобы 
согласовать моменты, скорости, другие параметры двигателя и 
исполнительного устройства.

Задающее воздействие может изменяться вручную, но может 

и автоматически. Например, если РМ представляет собой конвейерную ленту, подающую щебень в кузов автомобиля, рабочий в зависимости от степени загрузки ленты может изменять ее 
скорость, изменяя ЗВ (поворотом управляющей рукоятки). Такое 
управление будет ручным (несмотря на то, что двигатель может 
иметь автоматическое устройство стабилизации заданной скорости). Если же систему оснастить датчиком загрузки ленты, сигнал с которого заменит ЗВ, система будет работать без участия 
рабочего, т. е. будет автоматической. В таком случае ее называют системой автоматического управления (САУ). В приведенном 
примере показана простейшая САУ. Она может выполнять сложнейшие задачи, решение которых весьма часто человеку недоступно из-за медленной реакции, сложности вычислений и по 
другим причинам. 

Пример демонстрирует не только понятия ручного и авто
матического управления, но и замкнутой и разомкнутой систем 
управления, а также понятие обратной связи. В замкнутой системе сигнал с выхода подается на вход системы вместе с ЗВ так, что 
система сама может поддерживать заданный режим работы. Осуществляется это с помощью обратной связи (ОС). В разомкнутой 
системе такой связи нет.

Кроме описанной классификации, можно привести и другие, 

рассмотренные в курсе «Электропривод».

По характеру движения: вращательного и поступательного 

движения с регулируемой и нерегулируемой скоростью; с непрерывным или дискретным движением; однонаправленным или 
реверсивным движением и т. д.

Раздел 1. Разомкнутые системы автоматического управления электроприводами 

По числу используемых двигателей: индивидуальный электро
привод (рабочий механизм приводится в движение своим двигателем); групповой (один двигатель приводит в движение несколько рабочих механизмов); взаимосвязанный электропривод (группа электродвигателей, механически или электрически связанных 
между собой, работают на одну нагрузку).

По виду приводного двигателя: электроприводы с двигателя
ми постоянного тока (ДПТ) и с двигателями переменного тока 
(асинхронные и синхронные двигатели).

По виду силового преобразователя: управляемые и неуправляе
мые выпрямители; инверторы (преобразование постоянного тока 
в переменный); преобразователи частоты и напряжения переменного тока; импульсные преобразователи.

Приведенная классификация далеко не полная, так как не 

рассматривает, например, элементную базу приводов, что в конкретных обстоятельствах может иметь определяющее значение.

Как замкнутые, так и разомкнутые системы могут иметь раз
личную степень автоматизации. Несмотря на то, что замкнутые 
системы по определению настроены на получение заданного по 
точности конечного результата, во многих случаях целесообразно 
применять разомкнутые системы с определенной степенью автоматизации. Чаще всего это бывает, когда нагрузка имеет заранее 
известный закон изменения. В этих случаях ЗВ выбирают в соответствии с изменением нагрузки, не прибегая к использованию 
ОС. Такая система также является САУ.

Управление как ручного, так и автоматического электропри
вода состоит в выполнении операций пуска, торможения, регулирования скорости, реверсирования и других, определяемых технологическими процессами, для которых предназначен привод. 
В соответствии с этим к системам автоматического управления 
приводом еще в большей степени, чем при ручном управлении, 
предъявляются следующие требования: 

 
• развитие автоматического электропривода должно способ
ствовать повышению производительности труда и качества выполняемых работ;

 
• нагрузка на управляющий приводом персонал должна сме
щаться в интеллектуальную область, т. е. бóльшая часть рутинных работ должна выполняться автоматически, с минимальным 
участием человека;

1.1. Общие вопросы управления электроприводами

 
• регулирование с помощью автоматического привода долж
но осуществляться и приводить к желаемому результату не хуже, 
чем при участии человека. Следует отметить, что во многих случаях существующие автоматические приводы осуществляют операции управления значительно лучше, чем это мог бы выполнять 
человек;

 
• система автоматического управления приводом должна 

обеспечить достаточно простое встраивание в общую систему 
управления объектом;

 
• привод должен удовлетворять требованиям как механиче
ской, так и электрической безопасности.

1.1.2. Электрические схемы.  
1.1.2. Электрические схемы.  
Изображение и обозначение элементов схем 
Изображение и обозначение элементов схем 

Любое устройство состоит из сборочных единиц, включаю
щих как механические, так и электрические узлы и элементы. 
Электрические элементы связаны между собой проводниками, 
в качестве которых используют провода или металлические 
элементы конструкций. Электрические связи между составными частями изделия показывают с помощью электрических схем. 
Схемы должны быть составлены так, чтобы иметь однозначное 
толкование при «чтении» их различными потребителями. Поэтому номенклатура схем и изображения составных частей изделия 
должны быть стандартными. Имеются государственные стандарты (ГОСТ), выполнение требований которых обязательно для 
схем, в том числе и для схем электроприводов. Схемы используют 
как при проектировании изделия, так и для его производства и 
эксплуатации. В обозначении схем присутствуют элементы, показывающие предприятие, изделие, сборочную единицу, в которую входит схема. В конце буквенно-цифрового обозначения 
электрической схемы ставят букву Э (электрическая) и одну или 
несколько цифр (при разных стандартах, например, международных), указывающих тип схемы. Виды и типы схем установлены 
стандартом. Для электрических схем определены следующие типы.

Схема электрическая принципиальная (Э3) определяет полный 

состав элементов изделия и связей между ними. Схема дает детальное представление о принципах работы изделия. Элементы, 
входящие в схему, изображаются с помощью условно-графических 
обозначений в соответствии с ЕСКД (Единая система конструк

Раздел 1. Разомкнутые системы автоматического управления электроприводами 

торской документации). Электрические связи между контактами 
элементов обозначают в виде линий: силовые цепи – толстыми 
линиями, цепи управления – тонкими. Следует учесть, что линии связи проводят на схеме так, чтобы схема легко читалась. 
Поэтому линии связи чаще всего не совпадают по конфигурации 
с реальными проводами, проложенными в изделии. 

Данные об элементах и устройствах, входящих в принципиаль
ную схему, записывают в перечень элементов. Перечень элементов 
располагают над основной надписью первого листа схемы или 
выпускают отдельным документом, если места на первом листе 
недостаточно. В таком случае документ имеет номер принципиальной схемы, но в конце номера записывают символы ПЭ3.

Схема электрическая принципиальная, как правило, явля
ется обязательным документом при наличии электрических элементов в изделии.

Схема электрическая структурная (Э1) определяет основные 

функциональные части изделия и показывает взаимосвязи между ними. Структурная схема позволяет понять принцип работы 
изделия в самом общем виде. Функциональные части изделия 
изображают прямоугольниками или условно-графическими обозначениями. Построение схемы должно наглядно показывать 
последовательность взаимодействия функциональных частей. 
В простых случаях наличие структурной схемы необязательно.

Схема электрическая функциональная (Э2) служит для разъ
яснения процессов, протекающих в отдельных функциональных 
частях изделия или в изделии в целом. Поэтому функциональные части, требующие детального рассмотрения, воспроизводят 
по правилам изображения принципиальных схем, а остальные – 
по правилам изображения структурных схем. Для сложного изделия может быть разработано несколько функциональных схем, 
поясняющих разные режимы работы. В простых случаях использование функциональных схем необязательно.

Схема соединений (монтажная) (Э4) показывает конструктив
ное осуществление соединения элементов электрических комплектующих в изделии. На принципиальной схеме нет необходимости изображать элементы, служащие для соединения электрических устройств, так как они сильно затруднят чтение схемы. 
Схема соединений показывает, как и в каком месте производится 
монтаж элементов принципиальной схемы. Для этого использу