Электропривод. Энергетика электропривода

Б. Ю. ВАСИЛЬЕВ 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОПРИВОД. 
ЭНЕРГЕТИКА  
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
 
 
 
 
 

Ученик предназначен 

для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению  

«Электроэнергетика и электротехника» 

и других электротехнических и энергетических направлений  

подготовки специалистов различных профилей и уровней 
 
 
 
 
 
 
 
Москва  
СОЛОН-Пресс 
2020 

УДК 
621.31 
ББК 
31.2 
 
В 19 
 
РЕЦЕНЗЕНТЫ 
 
Георгий Борисович ОНИЩЕНКО 
доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор, 
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет машиностроения», 
председатель Совета Ассоциации инженеров по электроприводу 
 
Олег Викторович КРЮКОВ 
кандидат технических наук, доцент, 
главный специалист ОТД и НТИ ОАО «Гипрогазцентр» 
 
 
 
ВАСИЛЬЕВ Богдан Юрьевич 
В 19 
  Электропривод. Энергетика электропривода. Учебник. – М.: СОЛОН-Пресс, 
2020. – 268. 
 
ISBN  978-5-91359-155-5 
 
Дается анализ нормативной базы в области энергосбережении. Показана роль 
электроприводов в энергосбережении. Рассмотрены вопросы практического энергетического обследования электроприводов и обоснования технико-экономической, 
энергетической и эксплуатационной эффективности регулируемых электроприводов. Рассмотрены энергетические характеристики электроприводов с асинхронными 
двигателями и преобразователями частоты, показатели электромагнитной, электромеханической и энергетической совместимости электроприводов и их влияние на 
энергетику электропривода. Рассмотрены методы повышения энергетических характеристик электроприводов. Рассмотрены вопросы выбора асинхронных двигателей 
для регулируемых и нерегулируемых электроприводов, преобразователей частоты, 
тормозных резисторов и других элементов. Приведены примеры использования, 
структуры и состав оборудования современных электроприводов на промышленных 
объектах и в технических средствах топливно-энергетического комплекса.  
Книга, представленная в виде учебника, предназначена для бакалавров и магистров, обучающихся по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и 
других электротехнических и электроэнергетических направлений подготовки специалистов различных профилей и уровней. Может быть интересна специалистам в 
области разработки, проектирования и эксплуатации автоматизированного электропривода, энергосбережения. 
УДК 621.31 
ББК 31.2 
 
ISBN 978-5-91359-155-5 
 СОЛОН-Пресс, 2020 
 Б. Ю. Васильев, 2020 

THE REVIEWERS 
 
George ONISHENKO 
doctor of engineering science, honored worker of science Russian Federation, professor, 
« Moscow state university of mechanical engineering», 
chairman of the Board Association of engineers on electrical drive 
 
Oleg KRYUKOV 
candidate of technical sciences, docent, 
main specialist department of the technical documentation  
and the scientific and technical information OAO «Giprogazcentr» 
 
 
 
 
VASILEV Bogdan 
 
Electrical drive. Energy electrical drive. Тextbook. – М.: SOLON-Press, 2015. – 268. 
 
ISBN  978-5-91359-155-5 
 
The analysis normative base in the field of energy saving are done. The role of 
electrical drives in energy saving are shown. The questions of practical electric energy inspection of electrical drives and rationale for choosing of technical, economical, energetically and operational efficiency controlled electrical drives are considered. The energetically characteristics of electrical drives with induction motors and frequency converters, 
parameters electromagnetic, electromechanical and energy compatibility and their effect 
on the energy electrical drive are considered. The methods improving the energy characteristics electrical drive are considered. The questions of choice induction motors for controlled and uncontrolled electrical drives, frequency converters, brake resistor, and other 
elements electrical drives modern electrical drives are considered. The examples use, 
structures and configuration equipment modern electrical drives at industrial facilities and 
technical tools of the fuel and energy complex are given. 
The book intended for bachelors and masters students in the direction «Electrical 
power and electrical engineering» and other electrotechnical and electric power specialist 
training programmes different profiles and levels. The textbook may be interest specialists 
in the development, design and operation of the automatic electrical drive, energy saving 
and energy efficiency industry equipment. 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-91359-155-5 

 
 SOLON-Pess, 2015 
 B. Vasilev, 2015 

ИЗ РЕЦЕНЗИИ 
профессора Георгия Борисовича ОНИЩЕНКО 
 
« … Актуальность темы сомнений не вызывает. Повышение 
энергоэффективности машинного производства и энергосбережение являются в настоящее время приоритетными направлениями 
развития экономики страны.  
Поскольку электрический привод является основным потребителем электрической энергии, то его энергетические характеристики и возможность оптимизации на его основе технологических 
процессов определяют значение автоматизированного электропривода в решении задач повышения энергоэффективности хозяйства 
страны.  
К сожалению, этим вопросам в программе подготовки бакалавров по направлению «Электроэнергетика и электротехника» уделяется недостаточное внимание. Рецензируемая книга в определенной мере восполнит имеющийся пробел … ». 
 
ИЗ РЕЦЕНЗИИ 
доцента Олега Викторовича КРЮКОВА 
 
« … Актуальной научно-технической проблемой современной 
промышлености является обеспечение энергоэффективности и конкурентоспособности. На первое место в их обеспечении выходят 
вопросы эффективного и рационального использования электрической энергии потребителями, главным из которых является электрический привод различных машин и механизмов, комплексов и 
систем. Обеспечение энергетической эффективности в электроприводах является межотраслевой задачей, именно поэтому, для подготовки высоко востребованных на рынке труда специалистов в 
этой области требуются междисциплинарные учебники и учебные 
пособия. 
Данная книга содержит обобщенный материал в области 
энергоэффективности и энергосбережения средствами современного автоматизированного электропривода и предоставит студентам электротехнических и электроэнергетических специальностей 
и направлений подготовки возможность целостно его усвоить … ».  

FROM THE REVIEW 
professor George ONISHENKO 
 
« … Actuality of the theme beyond doubt. Improving the energy efficiency of machine production and energy saving are now priority directions of development the economy of our country. 
Since the electric drive is the main consumer of electrical energy, it 
is therefore energy characteristics and the possibility optimization on its 
basis technological processes determining the value of the automatic electrical drive in problems solving improve energy efficiency the industry of 
our country. 
Unfortunately, these questions in the training program for bachelors and masters in a direction «Electrical power and electrical engineering» insufficient attention is given. The book will fill the gap ...» 
 
FROM THE REVIEW 
docent Oleg KRYUKOV 
 
« … Actual scientific and technical problems of modern industry is 
provision energy efficiency and competitiveness. The question provision 
effective and rational use of electrical energy is on the first place. The 
main consumer electrical energy is electrical drive different machines and 
mechanisms, complexes and systems. Provision energy efficiency in electrical drive is interdisciplinary problem and which is why now  these 
textbooks requiring for the preparation of high demand in the labor market professionals in the fields energy efficiency and energy saving. 
This book contain summarize information in the fields energy saving tools electrical drive and given students electrotechnical and electric 
power speciality training possibility integrally learn basic knowledge in 
the fields energy saving and energy efficiency provision modern automatic 
electrical drive …» 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

 
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................... 10 
1. ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВО, МЕХАНИЗМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И МЕТОДЫ ОЦЕНКИ 
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ........................................................................................ 15 
1.1. Топливно-энергетический комплекс Российской Федерации......................... 15 
1.2. Нормативно-техническая документация в области энергосбережения и 
энергоэффективности ................................................................................................ 20 
1.3. Значение 
электропривода 
в 
энергосбережении 
 
на 
промышленных 
предприятиях.............................................................................................................. 22 
1.4. Энергетическое обследование и оценка эффективности электротехнических 
комплексов и систем с электроприводами............................................................... 24 
1.5. Методы технико-экономического обоснования эффективности использования 
электроприводов на промышленных объектах........................................................ 31 
1.5.1. Обоснование эффективности использования электрической энергии ... 32 
регулируемыми электроприводами..................................................................... 32 
1.5.2. Обоснование 
эффективности 
использования 
электроприводами 
топливно-энергетических ресурсов..................................................................... 37 
1.5.3. Обоснование 
эффективности 
эксплуатационно-технических 
характеристик регулируемых электроприводов................................................. 46 
2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ 
ПРОМЫШЛЕННЫХ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ................................... 47 
2.1. Коэффициент полезного действия нерегулируемого электропривода ........... 47 
2.2. Коэффициент 
мощности 
и 
коэффициент 
нагрузки 
нерегулируемого 
электропривода........................................................................................................... 52 
2.3. Коэффициент 
полезного 
действия 
асинхронного 
электропривода 
с 
полупроводниковым преобразователем частоты .................................................... 55 
2.4. Потери мощности в переходных режимах работы электропривода ............... 59 
2.5. Электромагнитная 
совместимость 
промышленных 
электроприводов 
и 
качество электрической энергии............................................................................... 63 
2.5.1. Состав показателей качества электрической энергии.............................. 65 
2.5.2. Дополнительные 
замечания 
к 
терминологии 
параметров 
несинусоидальности ............................................................................................. 69 
2.5.3. Влияние несинусоидального напряжения на коэффициент полезного 
действия и коэффициент мощности электропривода ........................................ 72 
2.5.4. Влияние несимметрии напряжения на коэффициент полезного действия 
электропривода ..................................................................................................... 75 
2.5.5. Влияние медленного изменения напряжения на коэффициент полезного 
действия и коэффициент мощности электропривода ........................................ 76 
2.5.6. Влияние отклонения частоты напряжения на коэффициент полезного 
действия и коэффициент мощности электропривода ........................................ 78 
2.6. Электромеханическая совместимость промышленных электроприводов и 
качество электромеханического преобразования.................................................... 79 
2.6.1. Определение и состав показателей качества электромеханического 
преобразования ..................................................................................................... 80 

2.6.2. Влияние несинусоидального напряжения на электромагнитный момент 
электропривода ..................................................................................................... 81 
2.6.3. Влияние пульсаций электромагнитного момента на коэффициент 
полезного действия электропривода ................................................................... 83 
2.6.4. Влияние несимметрии напряжения на электромагнитный момент 
электропривода ..................................................................................................... 85 
2.6.5. Влияние 
несинусоидального 
напряжения 
на 
срок 
службы 
электродвигателя .................................................................................................. 86 
2.6.6. Проблема «длинного кабеля» в электроприводе с преобразователем 
частоты................................................................................................................... 87 
2.6.7. Проблема возникновения резонансных явлений в электроприводе c 
преобразователем частоты ................................................................................... 90 
2.6.8. Проблема возникновения подшипниковых токов в асинхронных 
двигателях электроприводов................................................................................ 91 
2.6.9. Проблема снижения виброакустических характеристик электропривода 
c преобразователем частоты ................................................................................ 92 
2.6.10. Явление магнитоскрипции в асинхронных двигателях ......................... 93 
2.7. Энергетическая 
совместимость 
промышленных 
электроприводов 
и 
технические средства ее обеспечения ...................................................................... 94 

2.7.1. Определение понятия энергетической совместимости промышленного 
электропривода ..................................................................................................... 94 
2.7.2. Технические средства обеспечения энергетической совместимости ..... 95 
3. МЕТОДЫ 
И 
ТЕХНИЧЕСКИЕ 
СРЕДСТВА 
ОБЕСПЕЧЕНИЯ 
ВЫСОКИХ 
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ИХ ОЦЕНКА 97 
3.1. Использование энергоэффективных электродвигателей в промышленных 
электроприводах......................................................................................................... 97 
3.2. Использование энергоэффективных полупроводниковых преобразователей 
частоты........................................................................................................................ 99 
3.2.1. Использование энергоэффективных полупроводниковых элементов в 
коммутаторах  преобразователей частоты.......................................................... 99 
3.2.2. Использование 
высокочастотных 
транзисторов 
в 
автономных 
инверторах преобразователей частоты ..............................................................102 
3.2.3. Использование активных выпрямителей в преобразователях частоты 
электроприводов ..................................................................................................103 
3.2.4. Использование активных фильтров в системе электроснабжения 
электропривода ....................................................................................................105 
3.3. Использование энергосберегающих систем и алгоритмов управления 
электроприводом.......................................................................................................108 
3.3.1. Энергетические 
характеристики 
электроприводов 
с 
реостатным 
регулированием....................................................................................................110 
3.3.2. Энергетические характеристики электроприводов с параметрическим 
регулированием....................................................................................................112 
3.3.3. Энергетические 
характеристики 
электроприводов 
с 
частотным 
регулированием....................................................................................................114 
3.3.4. Энергетические 
характеристики 
электроприводов 
с 
релейноимпульсным регулированием .............................................................................116 

3.4. Использование 
эффективных 
модуляционных 
алгоритмов 
управления 
преобразователем частоты .......................................................................................122 
3.4.1. Алгоритм широтно-импульсной модуляции и методы повышения его 
эффективности .....................................................................................................122 
3.4.2. Алгоритм пространственно-векторной модуляции и методы повышения 
его эффективности...............................................................................................128 
4. ВЫБОР, РАСЧЕТ И ПРОВЕРКА ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
РЕГУЛИРУЕМЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ.................................................................138 
4.1. Режимы работы и характеристики приводных асинхронных двигателей.....138 
4.1.1. Номинальные режимы работы электроприводов....................................138 
4.1.2. Нагрузочные характеристики рабочих механизмов электроприводов..142 
4.1.3. Переходные характеристики электроприводов.......................................143 
4.2. Методы выбора и проверки асинхронных электродвигателей для различных 
режимов работы ........................................................................................................144 
4.2.1. Расчет 
мощности 
асинхронного 
двигателя 
различных 
рабочих 
механизмов...........................................................................................................144 
4.2.2. Методы выбора и проверка асинхронного двигателя.............................146 
4.2.3. Проверка асинхронного двигателя по перегрузочной способности......150 
4.2.4. Дополнительные замечания к методам выбора асинхронных двигателей
...............................................................................................................................150 
4.3. Выбор и проверка полупроводникового преобразователя частоты...............151 
4.4. Выбор и проверка тормозных резисторов для преобразователей частоты ...155 
4.5. Коммутационные 
аппараты 
и 
защитные 
устройства 
регулируемых 
электроприводов .......................................................................................................157 
4.6. Дополнительные устройства регулируемых электроприводов......................158 
5. СОВРЕМЕННЫЕ ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ 
И 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ 
ЧАСТОТЫ 
ОБЪЕКТОВ 
ТОПЛИВНОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА .........................................................................160 
5.1. Электротехническая 
система 
перемещения 
и 
динамического 
позиционирования буровой платформы..................................................................160 
5.2. 
Электропривод 
движителей 
плавучего 
добывающего 
комплекса 
корабельного типа.....................................................................................................164 
5.3. Электроприводные 
агрегаты 
для 
транспортировки 
углеводородов 
по 
континентальным трубопроводам ...........................................................................167 
5.4. Подводные электроприводные комплексы для транспортировки глеводородов 
по шельфовым трубопроводам ................................................................................174 
5.5. Электропривод 
механизмов 
экскаваторно-транспортного 
комплекса 
(карьерных экскаваторов и самосвалов) .................................................................177 
5.6. Электропривод механизмов забойных горных машин (проходческих и 
очистных комбайнов)................................................................................................182 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..............................................................................................................186 
ПРИЛОЖЕНИЕ А ..........................................................................................................188 
ПРИЛОЖЕНИЕ Б...........................................................................................................202 
ПРИЛОЖЕНИЕ B...........................................................................................................234 
ПРИЛОЖЕНИЕ Г...........................................................................................................256 
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................263 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Главным вектором развития топливно-энергетического комплекса и всей экономики Российской Федерации в целом является 
повышение эффективности и конкурентоспособности. Одним из основных средств достижения этих целей является повышение энергетической эффективности и энергосбережения на промышленных 
предприятиях топливно-энергетического комплекса. 
Хорошо известно, что от 60 % до 75 % всей вырабатываемой 
электроэнергии расходуется электроприводами, которые используются в различных электротехнических системах и промышленных 
комплексах на производственных объектах, обеспечивая протекание 
сложнейших технологических процессов. Абсолютное значение доли 
потерь электрической энергии также приходится на электроприводы 
и составляет около 80 %. Таким образом, электроприводы, используемые на промышленных предприятиях, имеют наибольший потенциал энергосбережения, и от их рационального использования зависит уровень энергоэффективности и конкурентоспособности промышленности Российской Федерации, в том числе предприятий топливно-энергетического комплекса. 
В первой главе приведены главные цели, задачи, пути и механизмы обеспечения энергетической эффективности и энергосбережения в главных отраслях топливно-энергетического комплекса Российской Федерации (горной, нефтяной, газовой, угольной и энергетики). Показана роль электротехнических комплексов с электроприводами в вопросе энергоэффективности и энергосбережения. Рассмотрены основные нормативно-технические документы и законы в 
области энергосбережения и энергоэффективности. 
Вопросы практического энергосбережения на промышленных 
предприятиях, безусловно, связаны с энергетическим обследованием 
(энергоаудитом) всех энергетических систем и крупных потребителей. На многих промышленных объектах высоковольтные электроприводы большой мощности обеспечивают до 95 % от общего потребления электроэнергии. Именно поэтому, в первой главе подробно рассмотрен вопрос энергетического обследования электроприводов, включая электродвигатели, преобразователи частоты, трансформаторы и другое электротехническое оборудование, входящее в 
состав электроприводов. 

Важной частью повышения энергоэффективности и энергосбережения промышленных предприятий, помимо непосредственного 
(инструментального) энергетического обследования, является выработка рекомендаций по повышению ресурсосбережения (энергосбережения). 
Основным 
вопросом 
здесь 
является 
техникоэкономическое обоснование эффективности предлагаемых энергосберегающих мероприятий. В первой главе подробно рассмотрены 
методы технико-экономического обоснования использования электроприводов на различных предприятиях топливно-энергетического 
комплекса, которые могут быть адаптированы к предприятиям других отраслей. Большое внимание уделено обоснованию эффективности не только между регулируемым и нерегулируемым электроприводом. На многих предприятиях остро стоит вопрос обоснования выбора типа привода, например, между газотурбинным и электрическим. Метод такого технико-экономического обоснования, также, 
изложен в первой главе. Дополнительно, рассмотрен метод оценки 
эксплуатационно-технических характеристик регулируемых электроприводов, который можно выполнить на основе экспертной оценки характеристик технических решений электроприводов, рекомендованных к внедрению. 
Основными энергетическими характеристиками промышленных электроприводов являются коэффициент полезного действия и 
коэффициент мощности. Во второй главе рассмотрены потери электрической энергии во всех электротехнических элементах, из которых состоят как регулируемые, так и нерегулируемые электроприводы: трансформаторов, входных реакторов, полупроводниковых преобразователей частоты, выходных дросселей и приводных асинхронных двигателей. Рассмотрен вопрос значения коэффициента мощности и коэффициента нагрузки нерегулируемого электропривода и регулируемого электропривода с преобразователем частоты. 
Основной проблемой современных промышленных электроприводов является обеспечение электромагнитной совместимости 
преобразователей частоты с сетью электроснабжения. 
Электромагнитная совместимость промышленного электропривода – это способность преобразователя частоты функционировать без негативного влияния на качество электрической энергии сети электроснабжения, не оказывать негативного электромагнитного 
воздействия на окружающее электротехническое оборудование, а