Системы управления автоматизированным электроприводом переменного тока

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМ 
ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 
Допущено учебно-методическим объединением вузов по образованию 
в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 
«Автоматизация технологических процессов и производств» 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2026 

УДК 62-83 
ББК 34.447 
С40 
Авторы: 
Макаров А. М., Сергеев А. С., Крылов Е. Г., Сердобинцев Ю. П., Шмелев В. А. 
Рецензенты: 
кафедра теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой  
промышленности Российского государственного университета нефти и газа 
им. И. М. Губкина, зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А. В. Егоров; 
профессор кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» 
Московского государственного технологического университета «СТАНКИН» 
д-р техн. наук, проф. Т. Г. Гришина 
С40  
Системы управления автоматизированным электроприводом переменного тока : учебное пособие / [Макаров А. М. и др.]. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2026. – 148 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-2781-4 
Рассмотрены вопросы механики электропривода переменного тока, описаны 
способы управления асинхронным электродвигателем. Раскрываются некоторые особенности разомкнутого и замкнутого автоматизированного управления электроприводом переменного тока. Особое внимание уделено современным и перспективным способам управления, рассмотрен способ частотного регулирования скорости в системах 
«преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель». Рассмотрены особенности применения автоматизированного электропривода в типовых производственных 
механизмах, например, в металлообрабатывающем оборудовании, транспортноскладских системах, манипуляторах промышленных роботов, буровых установках  
и др. 
Для студентов всех форм обучения по направлениям 27.03.04 «Управление в технических системах» и 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». 
УДК 62-83 
ББК 34.447 
ISBN 978-5-9729-2781-4 
” Волгоградский государственный технический университет, 2026 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2026 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2026 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Введение ....................................................................................................................... 5 
ГЛАВА 1. Механика автоматизированного электропривода .................................... 7 
1.1. Расчетные схемы механической части электропривода .................................. 7 
1.2. Уравнение механического движения ............................................................... 10 
1.3. Механические характеристики электропривода и рабочей машины ........... 11 
1.4. Основные расчетные параметры и схемы включения асинхронных 
электродвигателей ..................................................................................................... 14 
1.5. Перечень контрольных вопросов к главе 1 ..................................................... 16 
ГЛАВА 2. Способы управления асинхронным электродвигателем .................... 17 
2.1. Регулирование скорости .................................................................................... 17 
2.1.1. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей путем 
изменения напряжения ............................................................................................. 17 
2.1.2. Импульсное регулирование скорости асинхронного двигателя ................ 23 
2.1.3. Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя .................... 26 
2.2. Регулирование момента и тока ......................................................................... 29 
2.3. Перспективные способы управления электроприводом ................................ 35 
2.4. Перечень контрольных вопросов к главе 2 ..................................................... 43 
ГЛАВА 3. Разомкнутые системы управления электроприводом ......................... 45 
3.1. Управление пуском электродвигателей ........................................................... 46 
3.2. Торможение асинхронного двигателя .............................................................. 48 
3.3. Аварийная защита и блокировки АД ............................................................... 53 
3.4. Схемы управления реверсом двигателей ......................................................... 57 
3.5. Схема управления при зависимом пуске двигателей ..................................... 58 
3.6. Схема управления асинхронным двигателем в функции времени ............... 59 
3.7. Перечень контрольных вопросов к главе 3 ..................................................... 60 
ГЛАВА 4. Замкнутые системы управления электродвигателем .......................... 61 
4.1. Элементы и устройства замкнутых систем управления
электроприводом ....................................................................................................... 61 
4.1.1. Классификация элементов АЭП .................................................................... 61 
4.1.2. Регуляторы ....................................................................................................... 62 
4.1.3. Датчики координат АЭП ................................................................................ 68 
4.1.4. Задающие элементы ........................................................................................ 74 
4.2. Системы управления параллельного действия ............................................... 76 
4.3. Системы управления асинхронным электродвигателем  
последовательного действия .................................................................................... 79 
4.4. Перечень контрольных вопросов к главе 4 ..................................................... 84 
ГЛАВА 5. Частотное управление асинхронным двигателем ............................... 86 
5.1. Методы управления ........................................................................................... 86 
5.2. Построение силовой части ................................................................................ 88 
5.3. Построение системы управления преобразователей частоты ....................... 91 
5.4. Перечень контрольных вопросов к главе 5 ..................................................... 98 

 
ГЛАВА 6. Автоматизированный электропривод типовых  
производственных механизмов .............................................................................. 100 
6.1. Металлообрабатывающее оборудование ....................................................... 100 
6.2. Транспортные и подъемно-транспортные устройства ................................. 106 
6.3. Буровая техника ................................................................................................ 111 
6.4. Системы вентиляции и кондиционирования  
производственных помещений .............................................................................. 114 
6.5. Манипуляторы промышленных роботов ....................................................... 117 
6.6. Перечень контрольных вопросов к главе 6 ................................................... 119 
ГЛАВА 7. Моделирование автоматизированного электропривода  
переменного тока в MATLAB Simulink ................................................................ 121 
7.1. Определение параметров схемы замещения асинхронной  
машины по данным каталога ................................................................................. 122 
7.2. Исследование модели асинхронного двигателя в MATLAB Simulink ....... 124 
7.3. Мягкие частотный пуск и остановка асинхронного двигателя ................... 130 
7.4. Частотно-токовый электропривод с векторным управлением .................... 134 
7.5. Перечень контрольных вопросов к главе 7 ................................................... 186 
Список использованной литературы ..................................................................... 146 
 
 
 
 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
Во многих отраслях промышленности производительность технологического оборудования в значительной степени определяется уровнем его автоматизации, основным звеном которой является электропривод. Прогресс во многих отраслях науки и техники (машиностроение, микроэлектроника, транспорт, 
космическая техника, добыча и переработка полезных ископаемых и т. д.) все 
более подчеркивает его важнейшую роль.  
Большинство людей редко используют понятие «электропривод», хотя 
сталкиваются с этим понятием ежедневно: комфортное движение в электропоезде, лифте, автомобиле, использование многочисленных бытовых приборов 
(пылесос, миксер, кондиционер, вентилятор, кухонный комбайн, автоматическая стиральная машина) и т. д.  
Автоматизированный электропривод чаще всего не рассматривается как 
отдельное устройство, он является важным звеном иерархической структуры 
автоматизации. Наиболее ярко сущность автоматизированного электропривода 
проявляется в электросталеплавильных установках и металлорежущих станках 
с числовым программным управлением, робототехнических комплексах и автоматических линиях. Понимание устройства и работы электропривода – это 
прежде всего понимание физических процессов, происходящих в нем, умение 
сопоставить современные технические решения в области микро- и силовой 
электроники, а также современного программного обеспечения. Это необходимо всем, чья деятельность непосредственно связана с проектированием, изготовлением и эксплуатацией установок, в которых используется автоматизированный электропривод и системы управления им. 
В настоящее время на смену регулируемому электроприводу постоянного 
тока пришел регулируемый электропривод переменного тока, прежде всего на 
базе асинхронных короткозамкнутых двигателей. Асинхронные двигатели являются самыми распространенными электрическими машинами, но до недавнего времени они применялись в основном в нерегулируемых электроприводах 
для вращения механизмов, работающих с постоянной скоростью: вентиляторов, 
насосов, компрессоров, конвейеров.  
В последние годы в связи с появлением новых поколений транзисторов и 
тиристоров, а также относительно недорогих микропроцессоров высокого 
быстродействия выпуск и эксплуатация автоматизированных электроприводов 
переменного тока на базе асинхронных электродвигателей стали экономически 
целесообразными. Это объясняется также и тем, что технология производства 
асинхронных двигателей в настоящее время практически полностью автоматизирована.  
Электрические машины переменного тока обладают некоторыми преимуществами. В них отсутствуют ограничения по предельной мощности, а питание обмотки статора может производиться от сети с напряжением в десятки 
киловольт. Отсутствие щеточно-коллекторного узла значительно сокращает 
эксплуатационные затраты на обслуживание электродвигателей. 

 
В представленном учебном пособии уделено внимание электроприводам 
переменного тока и системам управления ими, включающим наиболее перспективные способы регулирования основных параметров электропривода. 
В последнее время частотно-регулируемый электропривод переменного 
тока стал главным типом регулируемого электропривода, серийно выпускаемого ведущими отечественными и зарубежными электротехническими компаниями. 
Дисциплина «Автоматизированный электропривод» входит в вариативную часть профессионального цикла рабочих учебных планов подготовки бакалавров по направлениям 27.03.04 «Управление в технических системах» и 
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств». 
В учебном пособии приведены общие теоретические положения, касающиеся механики автоматизированного электропривода, а также наиболее распространенные и перспективные способы управления им. Рассмотрены разомкнутые (релейно-контактные) системы управления пуском и торможением 
электропривода, основные виды его защиты и блокировки, а также замкнутые 
системы управления последовательного и параллельного действия. 
В отдельную главу выделено векторное частотное управление асинхронным двигателем как наиболее перспективное и часто используемое в современной промышленности.  
В пособии рассмотрены автоматизированный электропривод типовых 
производственных механизмов (станков, промышленных роботов, буровых 
установок, систем вентиляции и кондиционирования производственных помещений и др.), а также основы моделирования автоматизированного электропривода переменного тока на ЭВМ с использованием пакетов прикладных инженерных программ. 
 

 
ГЛАВА 1. МЕХАНИКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО 
ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
 
1.1. Расчетные схемы механической части электропривода 
 
Элементы, образующие механическую часть электропривода (ЭП), связаны между собой и с исполнительным органом рабочей машины, они оказывают 
друг на друга соответствующее воздействие. Поэтому при анализе механического движения какого-либо элемента необходимо учитывать влияние на него 
других элементов, образующих кинематическую схему ЭП. Это достигается 
пересчетом по определенным правилам сил, моментов, масс и моментов инерции к элементу, движение которого рассматривается. Такие операции в теории 
ЭП получили название операции приведения. Пересчитанные переменные и параметры называют приведенными. 
Операцию приведения можно выполнять относительно любого элемента, 
движение которого подлежит анализу. Обычно в качестве такого элемента выбирают двигатель, являющийся источником механического движения, или исполнительный орган рабочей машины. 
В результате выполнения операции приведения получаются расчетные 
схемы механической части ЭП, позволяющие легче осуществить анализ механического движения.  
Приведение масс и моментов инерции элементов, их упругости, сил и 
моментов, на них действующих, а также зазоров и люфтов осуществляется на 
основе закона сохранения энергии. 
Приведение моментов инерции и масс валу двигателя вращательного 
движения осуществляется по формулам: 
– при вращательном движении k-го элемента: 
 
;
i
J
J
k
k
k
2
пр 
 
 
– при поступательном движении i-го элемента:  
 
,
2
пр
i
i
i
ȡ
m
J
 
 
 
где 
kJ – момент инерции k-го элемента;  
mi – масса i-го элемента;  
ik – передаточное число кинематической цепи между k-м элементом и элементом приведения, ik  =  Ȧ/Ȧk (Ȧ, Ȧk – соответственно угловые скорости вращения 
элемента приведения и k-го элемента);  
ȡi – радиус приведения кинематической цени между i-м элементом и элементом 
приведения, ȡi  =  ȣi/Ȧ (ȣi – скорость поступательного движения i-го элемента). 

 
Если приведение осуществляется к валу двигателя, то далее определяется 
общий момент инерции как сумма момента инерции ротора двигателя и приведенных значений моментов инерции и масс элементов механической части ЭП 
и исполнительного органа рабочей машины. 
Приведение моментов и сил осуществляется для определения механической нагрузки двигателя, создаваемой исполнительным органом рабочей машины при выполнении им технологической операции, а также элементами механической передачи за счет действия сил трения. Нагрузка двигателя, обусловленная усилиями сопротивления (трения) элементов механической передачи, обычно учитывается с помощью их КПД. 
Приведение сил и моментов нагрузки, создаваемых исполнительным органом рабочих машин, к валу двигателя вращательного движения осуществляется по формулам: 
– при потоке энергии от двигателя к исполнительному органу рабочей 
машины: 
 
;
Ș
ȡ
Ș
мп
мп
ио
c
мп
мп
ио
c
F
F
;
i
M
M
 
 
 
 
– при потоке энергии от исполнительного органа рабочей машины к двигателю: 
 
;
Ș
ȡ
Ș
мп
мп
ио
c
мп
мп
ио
c
F
F
;
i
M
M
 
 
 
 
где Мио, Fио – момент и сила, действующие на исполнительный орган рабочей 
машины;  
Мс, Fс – приведенные к валу двигателя значения момента и силы;  
Șмп – КПД механической передачи между исполнительным органом рабочей 
машины и валом двигателя;  
iмп, ȡмп – соответственно передаточное число и радиус приведения механической передачи между исполнительным органом и валом двигателя. 
Получаемый момент на валу двигателя называется моментом нагрузки, 
моментом сопротивления, или статическим моментом. По тем же принципам 
осуществляется операция приведения в случае использования двигателя поступательного движения. 
Одномассовая расчетная схема получается после выполнения операции 
приведения, когда все механические элементы ЭП и исполнительный орган рабочей машины принимаются абсолютно жесткими, а зазоры в кинематической 
схеме не учитываются. Для наиболее распространенного случая, когда элементом приведения является ротор двигателя вращательного движения, одномассовая расчетная схема представлена на рис. 1.1, где М, Мс – момент двигателя и 
приведенный момент нагрузки; J – общий момент инерции, определяемый 

 
суммой момента инерции двигателя и приведенных к его валу моментов инерции и масс элементов механической части ЭП и исполнительного органа рабочей машины, J = (Jд+ȈJпр); Ȧ – угловая скорость вращения вала двигателя. 
 
 
 
Рис. 1.1. Одномассовая расчетная схема замещения 
 
В общем случае моменты двигателя М и нагрузки Мс могут иметь как положительные, так и отрицательные знаки. Уравнение движения для одномассовой схемы имеет вид: 
 
t
J
M
M
d
dȦ
c 
r
r
. 
 
Одно из направлений движения (обычно по часовой стрелке) принимается положительным. Тогда моменты, направленные по движению, имеют 
знак, совпадающий со знаком скорости, а моменты, направленные против 
движения, – противоположный знаку скорости. 
Когда двигатель создает движущий момент, а исполнительный орган рабочей машины – момент сопротивления движению, уравнение движения принимает следующий вид: 
 
t
J
M
M
d
dȦ
c 

. 
 
Левая часть этого уравнения, представляющая собой разность моментов 
двигателя и нагрузки и определяющая вместе с моментом инерции J ускорение 
или замедление движения dȦ/dt, получила название динамического момента 
 
дин
c
M
M
M
 

. 
 
Таким образом, операция приведения позволяет перейти от реальных 
схем механической части ЭП и исполнительного органа рабочей машины к расчетной (эквивалентной) схеме, основой которой является двигатель (элемент 
приведения) со своей скоростью, а остальные элементы реальных схем представлены приведенными моментом нагрузки (сопротивления) Мс и своими моментами инерции. 
 

 
1.2. Уравнение механического движения 
 
В механическом движении участвует подвижная часть электродвигателя 
(ротор), элементы механической передачи и исполнительный орган рабочей машины. Движение любого элемента механической части ЭП или исполнительного 
органа рабочей машины подчиняется известным законам механики. Поступательное и вращательное движение описывается следующими уравнениями: 
 
¦
¦

 

 
,
t
J
t
J
M
,
t
m
v
t
v
m
F
d
Ȧd
d
dȦ
d
d
d
d
 
 
где ¦F и ¦M – совокупность сил и моментов, действующих на элемент;  
m и J – масса и момент инерции элемента;  
Ȧ и ȣ – угловая и линейная скорости движения элемента;  
t – время. 
Уравнения движения являются дифференциальными, так как содержат 
производные скорости, массы и момента инерции. Если масса и момент инерции элементов при движении не изменяются, то их производные в уравнениях 
равны нулю, тогда уравнения имеют вид: 
 
,İ
d
dȦ
d
d
¦
¦
 
 
 
 
J
t
J
M
,
ma
t
v
m
F
 
 
где а и İ – ускорения при поступательном и вращательном движениях, 
t
/
t,
v/
a
d
dȦ
İ
d
d
 
 
. 
Уравнения отражают закон механики: ускорение движения элемента (материального тела) пропорционально алгебраической сумме действующих на него сил (моментов) и обратно пропорционально его массе (моменту инерции). 
Из этих уравнений следует условие движения с постоянной скоростью. 
Элемент будет двигаться с неизменной скоростью (или находиться в состоянии 
покоя), если сумма сил или моментов, к нему приложенных, будет равна нулю. 
Такое движение называют установившимся. Условия используются для определения параметров установившегося механического движения. 
При ¦
! 0
F
 или ¦
! 0
M
 элемент будет двигаться с ускорением, а при 
¦
 0
F
 или ¦
 0
M
 – с замедлением. Такие процессы носят название неустановившихся или переходных. Зависимости изменения скорости элемента во 
времени (графики переходных процессов) ȣ(t) или Ȧ(t) получаются путем решения (интегрирования) уравнений при известных действующих суммах сил 
¦F или моментов ¦M , массе m или моменте инерции J, а также начальных 
значениях скорости.