Теория электропривода

ТЕОРИЯ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Учебник

Москва
ИНФРА-М
2023

Г.Б. Онищенко

Допущено УМО вузов России по образованию в области энергетики  
и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных  
заведений, обучающихся по профилю «Электропривод и автоматика»  
направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» 

Онищенко Г.Б.

Теория электропривода : учебник / Г.Б. Онищенко. — Москва : 

ИНФРА-М, 2023. — 294 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — 
DOI 10.12737/7322.

ISBN 978-5-16-009674-2 (print)
ISBN 978-5-16-100998-7 (online)

Изложена теория современного автоматизированного электропривода, 

приведены основы электромеханического преобразования энергии, рассмотрены 
вопросы передачи механической энергии от вала двигателя к рабочему 
органу технологической машины, способы преобразования электрической 
энергии посредством силовых полупроводниковых преобразователей, входящих 
в состав электропривода, даны анализ электромеханических характеристик 
основных типов электродвигателей в установившихся и переходных 
режимах, способы регулирования координат электропривода, описываются 
типовые системы регулируемого электропривода, общие методы построения 
замкнутых систем автоматического регулирования электроприводов, методы 
расчета и выбора электродвигателей.

Для студентов по направлению подготовки «Электроэнергетика и элек-

тротехника»; может быть использован аспирантами и научно-техническими 
работниками, специализирующимися в области автоматизированного элек-
тропривода.

 

УДК 62-83(075.8) 

ББК 31.291я73

О58

ISBN 978-5-16-009674-2 (print)
ISBN 978-5-16-100998-7 (online)

© Онищенко Г.Б., 2015

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок» 

Ивановского государственного энергетического университета;  
кафедра «Электрооборудование, электропривод и автоматика» 
Нижегородского государственного технического университета;

д-р техн. наук, профессор М.Г. Юньков

УДК 62-83(075.8)
ББК 
31.291я73

 
О58

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Теория электропривода» является одной из ос-
новных в цикле профессиональных дисциплин высшего профессио-
нального образования по направлению «Электроэнергетика и элек-
тротехника» при подготовке бакалавров по профилю «Электропри-
вод и автоматика» и магистров по профилю «Электропривод и 
автоматика механизмов и технологических комплексов».
Содержание предлагаемого учебника соответствует ФГОС ВПО 
по направлению 13.03.02 (140400) «Электроэнергетика и электротех-
ника».
Теория электропривода — это прикладная научная дисциплина, 
отражающая общие закономерности электромагнитных и электро-
механических процессов, определяющих работу электропривода и 
составляющих его устройств, дающая целостное представление об 
электроприводе как технической системе, осуществляющей преоб-
разование электрической энергии в механическую и управление пре-
образованной энергией.
Теория электропривода изучает сложный технический объект — 
автоматизированный электропривод, включающий в себя:
 
• электромеханический преобразователь энергии — электриче-
ский двигатель, процессы в котором описываются законами 
электромеханики;
 
• кинематическую схему и механическую часть электропривода, 
законы движения которой исследуются методами теоретиче-
ской механики;
 
• электрическое преобразовательное устройство, изучение которого 
опирается на положения силовой полупроводниковой техники;
 
• управляющие устройства, математические методы анализа и син-
теза которых разработаны в теории автоматического управления.
Из этого следует, что объем специальных знаний, составляющих 
содержание данной дисциплины, значителен и разнообразен. Теория 
электропривода изучает процессы, характеристики и взаимодействие 
всех четырех составляющих частей электропривода, имеющих раз-
личную физическую природу. Поскольку эти части с точки зрения 
выполнения электроприводом своих функций находятся в единстве 
и взаимосвязи, их изложение в данном учебнике имеет общую мето-
дологическую основу — рассмотрение процессов преобразования 
энергии. Предлагаемое содержание дисциплины «Теория электро-
привода» позволяет объединить и последовательно изложить энер-
гетические процессы в электроприводе и общие принципы управ-
ления этими процессами.

Некоторая неравномерность объема материала, относящегося к 
энергетической и управленческой функциям автоматизированного 
электропривода связана с тем, что отдельная дисциплина «Системы 
управления электроприводов» является логическим продолжением 
дисциплины «Теория электропривода» [1], поэтому вопросы управ-
ления электроприводами рассмотрены лишь в общем плане без рас-
крытия технических реализаций систем автоматического управления 
электроприводами.
Теория электропривода, как теоретическая дисциплина, рассмат-
ривает общие вопросы, абстрагируясь от многих частных особенно-
стей. При этом основная цель этой дисциплины — физическое объ-
яснение электромагнитных и электромеханических процессов, про-
исходящих в устройствах электропривода и математическое 
описание этих процессов. Математическое описание создает базу для 
компьютерного моделирования процессов и синтеза систем управ-
ления.
Учебник охватывает следующие вопросы:
 
• основы электромеханического преобразования энергии;
 
• преобразование механической энергии в электроприводе;
 
• преобразование электрической энергии посредством силовых 
полупроводниковых преобразователей;
 
• статические и динамические характеристики и математические 
модели основных систем электропривода;
 
• принципы построения систем автоматического регулирования 
координат электропривода.
 
• расчет мощности и выбор типа электродвигателя.
Первая тема излагает основной вопрос электромеханики — элек-
тромеханическое преобразование энергии. Основное внимание уде-
лено принципам работы электрических машин, условиям преобра-
зования электрической энергии в механическую, математическому 
описанию электромагнитных и электромеханических процессов в 
обобщенной электрической машине.
Вторая тема посвящена преобразованию механической энергии 
в электроприводе. Рассматривается передача движения от вала дви-
гателя рабочему органу (РО) производственной машины посредст-
вом различных видов механических передаточных устройств. Ана-
лизируется уравнение движения электропривода для жесткой меха-
нической системы, системы, содержащей упругие связи, и для других 
кинематических схем механической части электропривода.
В третьей главе рассмотрены основные виды силовых полупро-
водниковых преобразователей, используемых в регулируемом элек-
троприводе с двигателями постоянного и переменного тока. Анали-
зируются статические и динамические характеристики преобразова-
телей.

Четвертая глава учебника касается общих принципов построения 
систем автоматического регулирования электроприводов. Рассмот-
рены общие подходы к формированию требуемых статических и ди-
намических характеристик электроприводов при регулировании 
основных координат электропривода (тока, момента, скорости).
Следующие три темы посвящены изучению динамических 
свойств электрических двигателей, как объектов управления. Рас-
сматривая каждый тип двигателя как частный случай обобщенной 
электрической машины, дается математическое описание электро-
магнитных и электромеханических процессов и анализируются ста-
тические и динамические характеристики основных типов электро-
двигателей.
Изучение указанных тем позволяет перейти к рассмотрению ос-
новных систем регулируемого электропривода, рассмотреть их функ-
циональные и структурные схемы, математические модели, способы 
управления, статические и динамические характеристики и перейти 
к изучению характеристик электромеханической системы в целом, 
рассматривая ее как объект регулирования.
В заключительной главе излагаются общие принципы проекти-
рования электроприводов в части расчета мощности и выбора типа 
электродвигателя.
Материал учебника не повторяет содержание общего курса 
«Электрический привод» [2, 3]. Поэтому приступать к изучению 
теории электропривода следует после изучения дисциплины «Элек-
трический привод». В методическом плане автор стремился сохра-
нить традиционные основы изложения материала, заложенные в 
учебниках В.И. Ключева «Теория электропривода» [4].
Автор посвящает эту книгу своей жене Нитиевской Алле Ива-
новне, вложившей большой труд в ее создание.

ВВЕДЕНИЕ

В.1.  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Электропривод — это техническая система, предназначенная 
для приведения в движение РО машин и целенаправленного управ-
ления рабочими процессами. Современный электропривод выпол-
няет две основные функции:
 
• преобразование электрической энергии в механическую, необ-
ходимую для осуществления технологических процессов;
 
• управление координатами электропривода (скорость, момент, 
усилие, положение) и собственно технологическим процессом 
посредством регулирования координат электропривода.
Электропривод потребляет около 60% всей вырабатываемой в 
стране электрической энергии и является энергетической основой 
современного машинного производства. Автоматизированный электропривод 
важная область техники, определяющая развитие машиностроения, 
создание новых технологий и энергосбережение.
Электрический привод как современная наукоемкая отрасль техники, 
имеет свои характерные особенности:
♦ в научном плане сочетаются достижения в области электромеханики, 
силовой электроники, компьютерной техники, теории 
управления; в производственном плане — технологии электротехники, 
электроники, машиностроения;
♦ тесная взаимосвязь с технологиями машинного производства. 
Совершенствование отдельных промышленных технологий ставит 
новые вопросы, определяющие конкретные задачи и развитие электропривода, 
например, прецизионные электроприводы с числовым 
программным управлением (ЧПУ). В свою очередь, развитие электропривода (
например, создание частотно-регулируемых электроприводов) 
делает возможным совершенствование технологических процессов 
в различных отраслях промышленности и хозяйства;
♦ ускоренное качественное развитие, быстрая смена поколений 
техники и моральное устаревание предыдущих генераций, причем 
само развитие обусловлено принципиально новыми научными до-
стижениями.
Возникновение понятия «Электрический привод» связывают с 
открытием использования электромагнитной энергии для соверше-
ния механической работы Сальватором Дель Негро (1830 г.) и с со-
зданием Б.Я. Якоби в 1837 г. первого реального электропривода для 
катера, который приводился в движение электродвигателем посто-

янного тока. Началом становления теории электропривода как са-
мостоятельной прикладной науки можно считать выход в 1925 г. 
книги С.А.Ринкевича «Электрическое распределение механической 
энергии. Теория электропривода», в которой с большой полнотой 
рассматривались теоретические вопросы, связанные с созданием и 
использованием электроприводов. В дальнейшем вопросы теории 
электропривода получили развитие и качественно новое содержание 
в трудах ученых многих стран, в том числе создавших в России на-
учно-педагогическую школу электропривода (профессора В.К. По-
пов, Ю.А. Сабинин, С.А. Ковчин, А.Т. Голован, Д.П. Морозов, 
М.Г. Чиликин, В.И. Ключев).

В.2.  СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Электропривод состоит из электродвигательного, механиче-
ского передаточного, электрического преобразовательного и инфор-
мационно-управляющего устройств.
Электродвигательное устройство — это электрический двигатель, 
преобразующий электрическую энергию в механическую — элект-
ромеханический преобразователь энергии.
Двигатели могут быть различными по виду создаваемого ими дви-
жения: вращательного, линейного, шагового, вибрационного и др. 
Большинство используемых электродвигателей — это машины вра-
щательного движения. Для передачи движения от электродвигателя 
к РО машины служит механическое передаточное устройство: редук-
тор, трансмиссия, ременная передача, канатная передача, криво-
шипно-шатунный механизм, передача винт-гайка и др. Передаточ-
ный механизм характеризует коэффициент передачи, представляю-
щий собой отношение скорости на входе к скорости на выходе 
механизма. В некоторых высокоскоростных рабочих машинах (на-
пример, насосы, вентиляторы, центрифуги) механическое переда-
точное устройство, как правило, отсутствует.
Преобразовательное устройство — это полупроводниковый преобразователь 
электрической энергии. Такие устройства применяют 
в регулируемом электроприводе для целенаправленного и экономичного 
изменения параметров движения электропривода: скорости, 
развиваемого момента и др. Поскольку электроприводы получают 
электрическую энергию, как правило, от промышленной электрической 
сети трехфазного переменного тока частотой 50 Гц со стандартным 
значением напряжения (220, 380, 660, 6 000, 10 000 В), то 
для питания двигателей (например, постоянного тока) и для их регулирования (
например, частотное регулирование двигателей переменного 
тока) необходимо преобразование электрической энергии, 
поступающей из сети, в электрическую энергию того вида, который 

необходим данному электродвигателю. К электрическим преобразовательным 
устройствам относятся управляемые выпрямители, преобразователи 
частоты и др. В нерегулируемых электроприводах преобразовательные 
устройства, как правило, отсутствуют за исключением 
устройств плавного пуска.
Электродвигательное, передаточное и преобразовательное устройства 
образуют силовой канал электропривода (рис. В.1), содержащий 
электрическую часть (сеть, преобразователь электрической 
энергии, электродвигатель) и механическую часть (ротор и вал электродвигателя, 
механическая передача, РО машины).

Рис. В.1. Структура силового канала электропривода

При работе электропривода в двигательном режиме электрическая 
энергия, поступающая из сети, преобразуется электродвигателем 
в механическую энергию, которая передается РО машины 
и расходуется на выполнение технологического процесса (резание 
в металлорежущих станках, подача воды насосами, подъем груза краном 
и т.п.). Во всех звеньях силового канала часть энергии теряется. 
Следует стремиться сокращать потери энергии при ее преобразовании 
и передаче. Энергетическую эффективность электропривода 
обычно оценивают посредством коэффициента полезного действия 
(КПД), который при однонаправленном потоке энергии определяют 
как отношение полезной мощности Pпол  на рабочем органе к потребляемой 
мощности Pпотр η
η η
η
эп
пол

потр
пр
эм п
м.п
=
=
P
P
.
.

Коэффициент полезного действия электропривода равен произведению 
КПД электрического ηпр, электромеханического ηэм п
.  преобразователей 
и механической передачи ηм п
. .  Для того чтобы оценить 
КПД рабочей машины в целом, КПД электропривода нужно 
умножить на КПД самой рабочей машины ηр м
.  (например, насоса):

η
η η
=
=
P
P
техн
потр
эп
р м
. ,где Ртехн — технологически необходимая мощность 
для выполнения данного производственного процесса.
Электроприводы могут работать не только в двигательном, но и в 
тормозном режиме (например, спуск груза, принудительное торможение 
машины при останове и т.п.). В этом случае энергия торможения — 
потенциальная энергия спускаемого груза или кинетиче-

ская энергия движущихся масс — поступает в электромеханический 
преобразователь, который работает в режиме генератора. Эта энергия 
за вычетом потерь и совершаемой РО в процессе торможения работы 
отдается в питающую сеть, если система допускает рекуперацию 
энергии. Если не допускает — избыток энергии рассеивается в балластном 
сопротивлении R. Направление потока энергии в режиме 
торможения показано на рис. В.1 пунктирной линией.
Важнейшей функцией электропривода является управление преобразованной 
механической энергией, т.е. управление технологи-
ческим процессом. Его реализует входящее в состав электропривода 
информационно-управляющее устройство. Общая структура электро-
привода показана на рис. В.2. 
Информационно-управляющее устройство состоит из аппаратов 
управления и защиты, осуществляющих включение, пуск, останов 
электропривода и защиту от аварийных и аномальных режимов ра-
боты, а также из электронных и микропроцессорных устройств 
управления, регуляторов и датчиков технологических, механических 
и электрических параметров, характеризующих работу электропри-
вода. Совокупность информационных и управляющих устройств 
образует информационный канал электропривода, предназначенный 
для управления координатами электропривода в соответствии с тре-
бованиями технологического процесса. Важной функцией системы 
управления является также осуществление технологического про-
цесса с минимальными затратами электрической энергии.

Рис. В.2. Структурная схема автоматизированного электропривода: ЭМП — 
электромеханический преобразователь (двигатель); ЭП — электрическое 
преобразовательное устройство; МП — механическая передача; РО — рабочий орган; 
СУЭП — система управления электроприводом; СУТП — система управления 
технологическим процессом; АСУТП — автоматизированная СУТП

В последние годы информационный канал электропривода все в 
большей степени реализуют, используя устройства управляющей 
вычислительной техники: промышленные компьютеры, программи-
руемые контроллеры, микропроцессорные средства и системы. Это 
позволяет, в частности, управлять отдельными электроприводами от 
управляющих устройств более высокого уровня (АСУТП), объеди-
няющих управление всеми производственными машинами, обслу-
живающими данный технологический процесс.

В.3.  КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Электроприводы, используемые в различных технологических 
установках, разнообразны по своим функциональным возможностям, 
схемному и конструктивному исполнению, степени автоматизации, 
что связано с большим разнообразием рабочих машин (табл. В.1).

Т а б л и ц а  В . 1

Классификация автоматизированных электроприводов

Классификационный признак
Классификационные градации

По числу РО, приводимых 
электроприводом
Индивидуальный; многодвигательный;
групповой

По виду движения 
электродвигателя
Вращательного движения; линейный;
многокоординатного движения

По способу соединения 
двигателя с РО
Редукторный; безредукторный;
конструктивно-интегрированный

По регулируемости
Нерегулируемый; регулируемый

По основному контролируемому 
параметру
Регулируемый по моменту; скорости;
положению

По виду управления
С ручным управлением; с полуавтоматическим управле-
нием; с замкнутой САР скорости с ручным заданием или 
с заданием от системы управления технологическим 
процессом; с замкнутой САР положения, обеспечиваю-
щей точное позиционирование; с программным управле-
нием; следящий

Электроприводы бывают индивидуальные и групповые. Если каж-
дый РО машины приводится в действие своим электроприводом, то 
его называется индивидуальным. Такой привод может быть одно-
двигательным, либо многодвигательным. При групповом электро-
приводе один двигатель приводит в движение несколько РО. При 
этом усложняется кинематическая цепь рабочей машины и затруд-
няется управление РО, так как для раздельного управления необхо-
димо применять специальные механические устройства: управляе-