Специальные разделы теории электропривода

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
Г.M. СИМАКОВ, Ю.П. ФИЛЮШОВ 
 
 
 
 
 
СПЕЦИАЛЬНЫЕ  
РАЗДЕЛЫ ТЕОРИИ 
 ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 62-83(075.8) 
         С 37 
Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор В.В. Жуловян 
канд. техн. наук, доцент М.В. Глазырин 

Работа подготовлена кафедрой электропривода и автоматизации  
промышленных установок для студентов и магистрантов факультета  
мехатроники и автоматизации всех форм обучения 

Симаков Г.М. 
С 37 
  
Специальные разделы теории электропривода: учебное пособие / 
Г.M. Симаков, Ю.П. Филюшов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 
124 с. 

ISBN 978-5-7782-4074-2 

В учебном пособии изложены вопросы расчета систем электропривода. Рассмотрено моделирование систем электропривода. Пособие 
предназначено для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» по специальности 
«Электропривод и автоматика промышленных установок и технологичеких комплексов». 

УДК 62-83(075.8) 

Симаков Геннадий Михайлович 
Филюшов Юрий Петрович 
 
СПЕЦИАЛЬНЫЕ РАЗДЕЛЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
Учебное пособие 
 
Редактор И.Л. Кескевич 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская 
Компьютерная верстка Л.А. Веселовская 
 
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 
_________________________________________________________________________________ 
Подписано в печать  10.01.2020. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж  40  экз. 
Уч.-изд. л.  7,20.  Печ. л.  7,75.  Изд. №  118/19.  Заказ №  170.   Цена договорная 
_________________________________________________________________________________ 
Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 
 
ISBN 978-5-7782-4074-2  
 
 
 
 
 
© Симаков Г.M., Филюшов Ю.П., 2020 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2020 

 

ВВЕДЕНИЕ 

 
Настоящее учебное пособие предназначено для магистрантов и бакалавров факультета автоматизации и мехатроники. Оно должно помочь изучению такого курса, как «Специальные разделы теории электропривода». 
Структурно пособие состоит из трех разделов. Первый посвящен исследованию систем момента двигателя автоматизированных электроприводов. Здесь рассматриваются системы автоматизированного электропривода с токовой отсечкой и упреждающего токоограничения. Исследуется также релейный регулятор тока в структуре системы подчиненного регулирования и динамика контура тока с аналоговым и цифровым ПИД-регулятором. 
Во втором разделе рассматриваются системы регулирования скорости электропривода постоянного тока. Обсуждаются системы однозонного и двухзонного регулирования скорости электропривода постоянного тока. 
В третьей части пособия обсуждается регулируемый асинхронный 
электропривод с векторным управлением. В векторном управлении рассматривается асинхронный двигатель с предварительным намагничиванием и без предварительного намагничивания асинхронного электропривода. Все исследования выполняются на компьютере в среде MatlabSimulink. 
Среда Matlab-Simulink предоставляет исследователю самые различные возможности, начиная от структурного представления системы и 
кончая макетированием системы в реальном времени. 
Чтобы использовать современные компьютерные технологии при 
изучении технической дисциплины, прежде всего необходимо знать  

физику протекающих в системе электропривода процессов и математические методы их исследования. Только тогда можно разработать модель, адекватную реальной системе, и провести модельный эксперимент, который даст необходимые результаты. 
Владение теорией и практикой автоматизированного электропривода в настоящее время становится элементом технической культуры 
инженера – специалиста любого профиля. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

Р а з д е л  I 

УПРАВЛЕНИЕ МОМЕНТОМ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 

 
 
 

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ОГРАНИЧЕНИЯ  
НАГРУЗКИ С ПОМОЩЬЮ ЗАДЕРЖАННОЙ 
 ОБРАТНОЙ СВЯЗИ ПО ТОКУ ДВИГАТЕЛЯ  
(ТОКОВОЙ ОТСЕЧКИ) 

Общие положения 

Ограничить нагрузку электропривода в переходных режимах можно 
с помощью задержанных (нелинейных) обратных связей. Особенно широкое распространение получила задержанная обратная связь по току 
двигателя, или «токовая отсечка». Этот вид обратной связи давно применяется в автоматизированных приводах. Ниже будет дана методика 
расчета параметров токовой отсечки. Расчет ведется на примере системы «обобщенный преобразователь» – двигатель (ОП-Д). Под «обобщенным преобразователем» подразумевается преобразователь, имеющий внутреннее активно-индуктивное сопротивление, обладающий 
усилительными свойствами и конкретными динамическими характеристиками, которые могут быть представлены передаточной функцией 
преобразователя. «Обобщенным преобразователем» может служить 
(при определенных допущениях) тиристорный или транзисторный 
преобразователь, а также различные электромашинные устройства автоматики. 
Упрощенная принципиальная система ОП-Д с задержанной обратной связью по току показана на рис. 1. 

Рис. 1. Схема токовой отсечки 

Скоростная характеристика такой системы представлена на рис. 2, а. 
Характер изменения тока якоря двигателя в приведенной схеме при 
скачкообразном приложении входного напряжения имеет вид кривой 1 
(рис. 2, б). Если же обратная связь отсутствует, то ток изменяется по 
кривой 2. Видно, что с введением задержанной обратной связи лучше 
заполняется диаграмма ( )
I t  и снижается максимальное значение тока 
якоря двигателя. Однако при любых значениях параметров обратной 
связи всегда будет иметь место некоторое превышение тока двигателя  
 

ω

I
отс
I
уI

I

t

отс
I

1

2

 

                                    а                                                            б 

Рис. 2. Скоростная характеристика и графики переходных процессов 

над значением тока отсечки. Ток отсечки – это ток, при котором вступает в действие задержанная обратная связь. Величина этого превышения зависит от параметров системы управления, в том числе и от 
коэффициента усиления 
у
K  цепи обратной связи. Поскольку в схеме 

имеется возможность варьировать этот параметр, задача заключается в выборе рационального значения 
у
K . Правильный выбор 
у
K  

важен, так как чрезмерное его повышение может привести к возникновению автоколебаний в системе, а уменьшение увеличивает погрешность ограничения тока, что вызывает необходимость снижать 
ток отсечки и в конечном итоге ведет к увеличению времени переходных процессов. 

Порядок расчета элементов схемы 

По принципиальной схеме составляется структурная схема (рис. 3, а 
соответствует физике принципиальной схемы). Для удобства расчета 
параметров мертвой зоны можно воспользоваться эквивалентной структурной схемой (рис. 3, б), в этом случае мертвая зона устанавливается 
равной величине тока отсечки. Затем рассчитываются параметры двигателя: номинальный ток, номинальный момент, суммарное сопротивление якорной цепи, суммарная индуктивность якорной цепи, постоянные 
времени, произведение от умножения конструктивного коэффициента 
на номинальный поток. 
1. Определяем ток упора, который характеризует максимальную 
нагрузку на двигатель: 

у
н,
I
I
 
 

где   – перегрузочная способность двигателя; 
нI  – номинальный ток 
двигателя. 
2. Рассчитываем ток отсечки: 

отс
у(1
)
I
I

  , 

где   – коэффициент, характеризующий точность ограничения тока допустимым уровнем;   = 0,05…0,2. 

Рис. 3а. Структурная схема, соответствующая принципиальной  
схеме на рис. 1 

 

Рис. 3б. Эквивалентная структурная схема 

3. Определяем напряжение пробоя стабилитрона, с помощью которого создается мертвая зона; до тех пор, пока стабилитрон не пробит, 
обратная связь по току не действует. Напряжение пробоя определяется 
из условия 

ст
отс
и
U
I
R

, 

где 
и
R  – измерительное сопротивление (в настоящей работе измерительным сопротивлением служит обмотка дополнительных полюсов). 
Напряжение пробоя стабилитронов берется из справочников по полупроводниковым приборам. Некоторые значения приведены ниже: 

2,5;   3;   3,5;   4,2;   4,5;   5;   7 В. 

4. Чтобы обеспечить точное включение обратной связи при достижении тока якоря, равного току отсечки, применяем делитель напряжения 
rR . Коэффициент передачи этого делителя можно определить отношением той части резистора, с которой снимется напряжение, к его полному сопротивлению. Этот коэффициент рассчитывается по формуле: 

ст

отс
и
r
U
K
I
R

. 

5. Рассчитываем коэффициент передачи преобразователя: 

П
П
з
,
Е
K
U

 

где 
з
U  – максимальное напряжение задания, равное десяти вольтам;  

П
Е  – ЭДС преобразователя, необходимая для достижения номинального напряжения на зажимах двигателя: 

П
н
н
П
Е
U
I R


, 

где 
н
н
,
U
I  – номинальное напряжение и ток двигателя; 
П
R  – внутреннее сопротивление преобразователя (здесь примем его равным сопротивлению якоря двигателя, индуктивность преобразователя 
П
L  также 
примем равной индуктивности якорной цепи). 
6. Рассчитываем коэффициент усиления в цепи обратной связи 
у
K  
исходя из уравнений, составленных по структурной схеме на рис. 3. 

з
ст
у
П
я
дв
(
)
r
U
IRK
U
K
K
IR
E









. 

Из этого уравнения выразим коэффициент усиления в цепи обратной связи. При этом следует учесть, что двигатель, работая на упор, не 
вращается и развивает максимальный момент. ЭДС, развиваемая двигателем, равна нулю, так как она пропорциональна скорости вращения. 
Ток двигателя равен току упора. Учитывая сказанное выше, мы получим 
формулу для расчета рационального коэффициента усиления в цепи обратной связи: 

з
П
y
яΣ
у
y
и
ст
П
(
)
r

U K
I R
K
I R K
U
K




. 

Порядок выполнения работы 

Рассчитать параметры всех звеньев структурной схемы, представленной на рис. 3. 
1. В программе Simulink собрать структурную схему с вашими параметрами. 
2. Установить осциллографы (Scope) для снятия переходных процессов тока якоря и угловой скорости электропривода. 
3. Установить двухкоординатный осциллограф (XY-Graph) для снятия скоростной характеристики. 
4. Установить напряжение задания 10 В в Step (максимальное значение). 
5. Снять графики переходных процессов при разгоне двигателя вхолостую, при набросе нагрузки, равной 0,6 от номинальной. Наброс 
нагрузки следует выполнить только после полного разгона двигателя 
(можно с помощью звена Step1). 
6. Снимаем скоростную характеристику при плавном увеличении 
нагрузки от нуля до максимальной. При этом необходимо показать ту 
часть графика, где происходит разгон двигателя вхолостую. Для начала 
в Simulation/ ставим значение более 10. В звене Step1 ставим время шага 
(Step time), равное единице, в окончательном значении (Final value) ставим момент сопротивления 
с
М , в остальных 0. Для плавного увеличения нагрузки можно использовать звено интегратора (рис. 4, а). Для отсечения ненужной части графика можно использовать звенья Switch, которые подключают вход осциллографа только по достижении двигателем скорости холостого хода (рис. 4, б). В обоих Switch ставим 1. В звене 
Step2 ставим время шага (Step time), равное 0,9, а в окончательном значении (Final value) ставим 1, в остальных – 0. При этом в звене XY-Graph  

 

 

Рис. 4. Моделирование нагрузки