Системы расчета автоматизированного электропривода

Министерство науки и высшего образования Российской федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕСИТЕТ 

 
 
 
 
 
Г.М. СИМАКОВ, Ю.В. ПАНКРАЦ, Д.А. КОТИН 
 
 
 
 
СИСТЕМЫ РАСЧЕТА  
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО  
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК  
2019 

 

УДК 62-83(075.8) 
          С 37 
 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор В.В. Жуловян 
канд. техн. наук, доцент Д.М. Топорков 
 
 
 
Симаков Г.М. 
С 37 
  
Системы расчета автоматизированного электропривода: 
учебное пособие / Г.М. Симаков, Ю.В. Панкрац, Д.А Котин. – 
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 147 с. 

ISBN 978-5-7782-3866-4 

Изложены вопросы расчета систем автоматизированного электропривода. Рассмотрен тиристорный и транзисторный электропривод 
постоянного тока, а также транзисторный асинхронный электропривод переменного тока. Даны методики выбора параметров регуляторов. Приведено описание функциональных схем электроприводов типа «ЭШИР», «ЭРАТОН», «ИРБИ» и «FRS-520». Рассмотрено моделирование систем электропривода. 
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и по 
специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов». 
 
Работа подготовлена кафедрой электропривода  
и автоматизации промышленных установок 
 
 
УДК 62-83(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-3866-4  
 
 
 
 
 
© Симаков Г.М., Панкрац Ю.В.,  
    Котин Д.А., 2019 
© Новосибирский государственный  
    технический университет, 2019 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Данное пособие направлено на помощь студентам при проектировании и расчете систем автоматизированных электроприводов. Освоение содержания пособия помогает приобретать навыки самостоятельного принятия инженерных решений. Электропривод широко используется во всех отраслях народного хозяйства. Это один из самых энергоемких потребителей и преобразователей энергии. Владение теорией 
в области регулируемого электропривода – необходимый элемент технической культуры, важная составляющая профессиональной подготовки специалиста данного профиля. 
В соответствии с рабочей программой в учебной дисциплине «Автоматизированный электропровод» предусматривается курсовое проектирование, в котором проводится разработка автоматизированного 
электропривода, обеспечивающего стабилизацию скорости, или управление положением. Как система стабилизации скорости вращения, так 
и система регулирования положения могут быть реализованы на базе 
комплектных электроприводов, серийно выпускаемых отечественной 
промышленностью, либо на основе вновь проектируемого управляемого тиристорного или транзисторного преобразователя. 
Курсовое проектирование включает в себя: выбор системы электропривода и его функциональные схемы; расчет и выбор элементов 
его силовой части; описание элементов системы управления преобразователем; синтез регуляторов и расчет их параметров; оценку статических и динамических свойств системы управления электроприводом; 
составление принципиальной схемы управления электроприводом и 
выбор аппаратуры управления защиты и сигнализации; составление 
спецификации на элементы электрооборудования. 
Исходные данные для разработки системы стабилизации скорости 
вращения: 
 тип, мощность, напряжение и скорость вращения электродвигателя; 

 привод реверсивный, редкий реверс, нереверсивный; 
 диапазон и погрешность регулирования скорости; 
 частота (полоса) пропускания контура регулирования скорости 
автоматизированного электропривода. 
Предполагается, что студенты освоили «Теорию автоматического 
управления», «Теорию электрического привода», «Силовую электронику». Ниже приводятся некоторые указания к выполнению разделов 
расчетно-пояснительной записки курсового проекта, однако они не 
ограничивают свободу студента по самостоятельному выбору технических решений и методик расчета элементов электропривода. 
Студентам необходимо активно работать с технической литературой и четко понимать применяемые методики расчета. Проектирование носит учебный характер, поэтому перечень вопросов, решаемых в 
проекте, шире, чем просто выбор серийного комплектного электропривода для удовлетворения требованиям технического задания. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Р А З Д Е Л  1 

ВЫБОР СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА  
И ЕГО ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА 

В соответствии с вариантом задания курсового проектирования в 
этом разделе приводится полный перечень технических данных двигателя. Эти данные могут быть взяты из каталога на машины постоянного тока или переменного тока. Отсутствующие в каталогах величины 
должны быть определены по известным соотношениям. Такими величинами, как правило, являются активное сопротивление якорной цепи 
двигателя, номинальный ток двигателя, номинальная ЭДС двигателя, 
коэффициент пропорциональности ЭДС к скорости двигателя, электромагнитного момента и тока. По требованиям, предъявляемым к 
электроприводам, в соответствии с вариантом задания производится 
техническое обоснование выбора системы электропривода. Это может 
быть система электропривода по схеме «генератор–двигатель» с тиристорным возбудителем, управляемый «тиристорный преобразователь – 
двигатель», «транзисторный импульсный усилитель мощности–двигатель». Современные транзисторные автоматизированные электроприводы мощностью до 3...10 кВт разрабатываются с целью расширения 
диапазона регулирования скорости D > 1: 300 00, повышения быстродействия, точности и равномерности вращения при работе электропривода на малых скоростях (частота пропускания контура регулирования 
скорости в транзисторном электроприводе выше 50 Гц). 
При технически обоснованной необходимости построения системы 
электропривода по схеме «тиристорный преобразователь–двигатель» 
(ТП-Д) по номинальному току, напряжению двигателя выбирается типовой тиристорный преобразователь комплектного электропривода. 
Например, типовые комплектные электроприводы, выпускаемые отечественной промышленностью для металлорежущих станков: преобра

зователи типа ЭПУ, БТУ-3601, ЭПВ и др. [37, 44]. При выборе электропривода переменного тока необходимо учитывать доступность материалов, в первую очередь схемотехнических решений, на выбранный 
тип преобразователя. На базе этих типовых электроприводов реализуются и следящие системы автоматизированного электропривода. 
В случае, если технически обоснованным оказывается построение 
системы электропривода по схеме «широтно-импульсный преобразователь–двигатель» (ШИП-Д) может быть также выбран комплектный 
транзисторный электропривод ЭШИР (ЭШИМ) или ПРП при номинальной мощности двигателя от 0,1 до 10 кВт [45, 47], а для двигателей 
большей мощности может быть рассчитан индивидуальный (нетиповой) преобразователь. 
Приняв для реализации типовой комплектный электропривод, 
в расчетно-пояснительной записке необходимо привести его техническую характеристику: назначение, конструктивное исполнение, состав, 
комплектность поставки заводом-изготовителем, условия эксплуатации и т. д. Если по исходным данным варианта нельзя принять типовой управляемый тиристорный преобразователь, допускается в курсовом проекте самостоятельно спроектировать новый преобразователь 
или силовую часть выполнить составной из типовых преобразователей 
меньшей мощности, включая их на параллельную работу. В этом случае в типовой системе управления проектом должна быть дополнительно предусмотрена возможность управления параллельно включенными силовыми схемами преобразователей. 
Схема электропривода не только отражает принцип действия проектируемой системы автоматического управления, но и дает представление об объеме расчетов по выбору ее элементов. В пояснительной 
записи курсового проекта должны быть приведены расшифровка всех 
обозначений, краткая характеристика и назначение всех элементов и 
блоков функциональной схемы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Р А З Д Е Л  2 

ЭЛЕКТРОПРИВОД ПОСТОЯННОГО ТОКА  
ПО СХЕМЕ «ТИРИСТОРНЫЙ  
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ–ДВИГАТЕЛЬ» 

Функциональная схема электропривода не только отражает принцип действия проектируемой системы автоматического управления, но 
и дает представление об объеме расчета и выбора ее элементов. 
На рис. 2.1 в качестве примера показана функциональная схема комплектного электропривода на базе тиристорного преобразователя типа 
БТУ-3601, а на рис. 2.2 в качестве примера комплектного электропривода на базе ШИП приведена функциональная схема электропривода 
ЭШИР-1-А. 

 
Рис. 2.1. Функциональная схема комплектного электропривода на базе 
 тиристорного преобразователя типа БТУ-3601 

Рис. 2.2. Функциональная схема электропривода ЭШИР-1-А 

2.1. РАСЧЕТ И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ 
 СИЛОВОЙ ЧАСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 

В этом разделе для тиристорного варианта электропривода производятся: выбор типа и расчет параметров силового трансформатора 
(при бестрансформаторном варианте производится выбор анодного 
реактора и его параметров), проверка тиристоров, принятых к установке в типовом преобразователе; выбор типа уравнительных реакторов 
при совместном способе управления реверсивными группами вентильного преобразователя; выбор катодного дросселя и определение уровня пульсации первой гармоники тока якорной цепи; определение граничного значения тока и выбор устройств защиты преобразователя от 
токов короткого замыкания, длительной перегрузки и коммутационных перенапряжений. 

2.1.1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРАНСФОРМАТОРА 

Трансформатор в управляемом вентильном электроприводе необходим для согласования напряжения сети с напряжением двигателя. 
Действующее значение фазного напряжения вторичной обмотки 
трансформатора определяется выражением 

 
2ф
1 2 3
н
c

1
,
U
k k k
U
k

  
(2.1) 

где 
н
U  – номинальное напряжение двигателя; 
ck – коэффициент, устанавливающий зависимость между средневыпрямленным напряжением 
преобразователя и напряжением вторичной обмотки трансформатора, 
этот коэффициент зависит от схемы выпрямления; 
1k  = 1,05...1,1 – коэффициент запаса по напряжению сети; 
2
k = 1,05...1,2 – коэффициент 
запаса по напряжению, учитывающий неполное открытие вентилей 
при максимальном управляющем сигнале; 
3
k  = 1,0...1,05 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий падение напряжения в вентиле, в обмотках трансформатора. 
Коэффициент трансформации трансформатора, токи фаз вторичной 
и первичной обмоток трансформатора определяются как 

 
1н
тр
2ф
;
U
k
U

 
 (2.2) 

 
2н
н;
I
bI

  
(2.3) 

 
1н
н
тр
,
с
I
I
k

  
(2.4) 

где 
нI  – номинальный ток двигателя. 
Типовая мощность трансформатора 
 
T
2ф н.
S
qU
I

 
 (2.5) 

Значение коэффициентов 
ck , b, c, q, f для некоторых схем приведены в таблице. 
По расчетным соотношениям (2.1)–(2.5) выбирается типовой 
трансформатор (приложение А). 
Если типовой трансформатор подобрать нельзя, то в курсовом проекте допускается принять трансформатор с расчетными по (2.1)–(2.5) 
параметрами. 
Приведенное ко вторичной обмотке активное сопротивление одной 
фазы трансформатора: 

 

3
a
T
T
2
2н

10

3
100

kP S
R
f
I





, 
(2.6) 

где 
a
kP  = (1…3,5) % – потери активной мощности трансформатора в 
режиме короткого замыкания. 

Значение коэффициентов 

Схема 
ck  
b 
c 
d 
q 
s 
f 

Однофазная однополупериодная 
0,45 
0,5 
0,345 
1
2  
0,707 
1,71 
1 

Однофазная 
двухполупериодная 
0,9 
0,53 
0,41 
1
  
1,41 
1,63 
1 

Трехфазная нулевая 
1,17 
0,577 
0,472 
3
2  
1,57 
1,35 
1 

Шестифазная 
нулевая 
1,35 
0,408 
0,577 
3
  
2,09 
1,55 
1 

Мостовая схема 
2,34 
0,617 
0,817 
3
  
2,45 
1,045 
2 

Зигзаг с нулем 
1,17 
0,577 
0,472 
3
2  
1,71 
1,46 
1 

Реактивное сопротивление одной фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке: 

 

2
2ф
2
2
2
T
0
T
T
T
T
2н
100

k
U U

X
L
Z
R
R
I



 









, 
(2.7) 

где 
k
U  = 5…10 % – напряжение короткого замыкания трансформатора; 
T
Z  – полное сопротивление одной фазы трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке; 
T
T
0
/
L
X

  – индуктивность фазы 
трансформатора; 
0
c
2 f
  
 – частота напряжения питающей сети.