Электропривод и электрооборудование. Ч.1: Регулирование асинхронного электропривода в сельском хозяйстве

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ 

УНИВЕРСИТЕТ

ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ

А. Ю. Кузнецов, П. В. Зонов

ЭЛЕКТРОПРИВОД

И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ

Часть 1

РЕГУЛИРОВАНИЕ

АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Учебное пособие

Новосибирск 2012

УДК 621.34: 63 (075:8)
ББК 40.7:31.291 Я 73
Э 453

Рецензент: канд. техн. наук, доц. В. Л. Основич

Кузнецов А. Ю. Электропривод и электрооборудование. Ч.1: Ре
гулирование асинхронного электропривода в сельском хозяйстве: учеб. 
пособие / А. Ю. Кузнецов, П. В. Зонов; Новосиб. гос. аграр. ун-т. Инженер. ин-т. – Новосибирск: Изд-во НГАУ, 2012. –  100 с.

Учебное пособие содержит основные сведения по теории, расчету 

и использованию автоматизированного асинхронного электропривода, 
а также примеры решения задач и вопросы  по проверке освоения теоретической части.

Предназначено для студентов всех форм, обучающихся по на
правлению подготовки 110800.62 – Агроинженерия, по агроинженерным специальностям: 110301.65 – Механизация сельского хозяйства, 
110304.65 – Технология обслуживания и ремонта машин в АПК; по направлению подготовки 051000.62 – Профессиональное обучение и по 
специальности 050501.65 – Профессиональное обучение.

Утверждено и рекомендовано к изданию методическим советом 

Инженерного института (протокол № 1 от 24 января 2012 г.).

© Новосибирский государственный аграрный университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие предназначено для самостоятельного 

изучения дисциплины «Электропривод и электрооборудование». Оно знакомит студентов с основными теоретическими 
положениями по асинхронному электроприводу и содержит 
примеры, а также вопросы для самопроверки.

Учебное пособие разработано с учетом требований ГОС 

ВПО по агроинженерным специальностям 110301.65 – Механизация сельского хозяйства,110304.65 – Технологияобслуживания и ремонта машин в АПК, по специальности 050501.65 – 
Профессиональное обучение, ФГОС ВПО по направлениям 
подготовки 110800.62 – Агроинженерия, 051000.62 – Профессиональное обучение в соответствии с программой учебной 
дисциплины «Электропривод и электрооборудование».

После освоения дисциплины студент должен иметь сле
дующие профессиональные компетенции (ПК):

– готовность к использованию технических средств ав
томатики и систем автоматизации технологических процессов (ПК-9);

– способность использовать современные методы мон
тажа, наладки машин и установок, поддержания режимов работы электрифицированных и автоматизированных 
технологических процессов, непосредственно связанных 
с биологическими объектами (ПК-13);

– способность анализировать технологический процесс 

как объект контроля и управления (ПК-16);

– способность изучать и использовать научно-техниче
скую информацию, отечественный и зарубежный опыт по 
тематике исследований (ПК-19);

– готовность к участию в проектировании технических 

средств и технологических процессов производства, систем 
электрификации и автоматизации сельскохозяйственных 
объектов (ПК-23).

1. ИСТОРИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ 

И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

Развитие электропривода (ЭП) начинается с разработки 

российским академиком Б. С. Якоби первого двигателя постоянного тока вращательного движения. Установка этого 
двигателя на небольшой катер, который в 1838 г. совершал 
испытательные рейсы по Неве, является первым примером 
практической реализации ЭП. В дальнейшем ЭП нашел 
применение и в других сферах, например, привод швейной 
машины. Однако из-за отсутствия экономичных источников 
электроэнергии постоянного тока ЭП долгое время не находил широкого применения.

Не изменило этого положения и создание в 1870 г. про
мышленного электрического генератора постоянного тока, 
а также появление однофазной системы переменного тока.

Мощным импульсом для развития ЭП послужили раз
работка в 1889 г. М. О. Доливо-Добровольским системы 
трехфазного тока и появление трехфазного асинхронного 
электродвигателя, что создало реальные технические и экономические предпосылки для широкого использования 
электрической энергии и, следовательно, ЭП.

Первой научной работой в России по теории электро
привода является опубликованная в 1880 г. в журнале 
«Электричество» статья инженера Д. А. Лачинова «Электромеханическая работа», в которой впервые были научно 
обоснованы преимущества именно электрического распределения механической энергии.

Электрификация нашей страны и широкое применение 

ЭП в народном хозяйстве начались в 1920–1930 гг. после 
начала реализации плана государственной электрификации 
России – плана ГОЭЛРО, который предусматривал широкое 
строительство новых и реконструкцию старых электростанций, проведение новых линий электропередач, развитие 

электротехнической промышленности. Были построены 
тепловые и гидравлические электростанции, тысячи километров воздушных и кабельных линий, десятки заводов по 
производству электрических машин, аппаратов и кабельной 
продукции, созданы научно-исследовательские и проектноконструкторские институты и организации, решавшие крупные научно-технические проблемы по созданию и внедрению в народное хозяйство ЭП различного типа.

Одновременно происходило дальнейшее развитие тео
рии ЭП. Впервые как самостоятельная дисциплина теория 
электропривода была представлена в книге С. А. Ринкевича 
«Электрическое распределение механической энергии», вышедшей в 1925 г. Теория электропривода развивалась в трудах отечественных ученых В. К. Попова, В. П. Андреева, 
М. Г. Чиликина и многих других. Большое внимание уделялось при этом и подготовке инженерно-технических и научных кадров, призванных создавать и эксплуатировать ЭП 
различного типа.

В настоящее время значительно возрастает роль уровня 

электровооруженности технологических процессов и соответственно ЭП. Важнейшим направлением научно-технического прогресса стала автоматизация технологических 
процессов, позволяющая повысить производительность 
общественного труда в экономике. Характерными чертами 
автоматизации являются быстрое развитие робототехники, 
внедрение гибких автоматизированных производств, автоматических линий, машин и оборудования со встроенными 
средствами микропроцессорной техники, многооперационных станков с числовым программным управлением, роторных конвейерных комплексов.

Дальнейшее развитие электрификации и автоматизации 

технологических процессов, создание высокопроизводительных машин, механизмов и технологических комплексов 
во многом определяется развитием электрического привода.

Большое число реализуемых с помощью электропри
вода технологических процессов определяет многообразие 
уже действующих и вновь создаваемых электроприводов. 
Между собой они различаются назначением, степенью автоматизации, характером движения двигателя, используемой элементной базой и многими другими признаками, по 
которым осуществляется их классификация.

Общая структурная схема электропривода приведена на 

рис. 1.1, где утолщенными линиями показаны силовые каналы энергии, а тонкими линиями – маломощные (информационные) электрические цепи.

ЭЭ

ИО

РМ

МЭ

МП
ЭД

МЭ

Uзад
Uд.с
Uзащ

СУ

ЭП

ИЭЭ

ЭЭ

Uу
Пр
УУ

Рис. 1.1. Структурная схема ЭП

Основным элементом ЭП является электрический дви
гатель (ЭД), который вырабатывает механическую энергию 
(МЭ) за счет потребляемой электрической энергии (ЭЭ) от ее 
источника (ИЭЭ). В некоторых режимах работы ЭП электродвигатель осуществляет и обратное преобразование энергии, 
получая механическую энергию от исполнительных органов 
(ИО) и работая при этом в генераторном режиме.

От электродвигателя механическая энергия подается на 

исполнительный орган рабочей машины (РМ) через механическую передачу (МП). В некоторых случаях ИО непо

средственно соединяется с ЭД, что соответствует безредукторному ЭП.

Электрическая энергия поступает в ЭП от источника 

электроэнергии через преобразователь электрической энергии (Пр).

Функции управления и автоматизации работы ЭП осу
ществляются устройством управления (УУ). Это устройство 
вырабатывает сигнал управления Uу с использованием сигнала задания (уставки) Uзад , задающего характер движения 
исполнительного органа, дополнительных сигналов Uд.с (сигналов обратных связей), дающих информацию о ходе технологического процесса, характере движения исполнительного 
органа и работе отдельных элементов ЭП, а также сигналов 
системы защиты, блокировок и сигнализации Uзащ. Сигналы 
Uд.с и Uзащ поступают от соответствующих датчиков переменных ЭП и технологического оборудования. Для преобразования этих сигналов в состав устройства управления входят 
устройства сопряжения и обработки поступающей информации. Преобразователь П вместе с устройством управления 
УУ образуют систему управления (СУ) электропривода.

Итак, электрическим приводом называется электро
механическая система, состоящая из взаимодействующих 
электрических, электромеханических и механических преобразователей, а также управляющих и информационных 
устройств и устройств сопряжения, предназначенная для 
приведения в движение исполнительных органов рабочих 
машин и управления этим движением в целях осуществления технологического процесса.

Назначение указанных на схеме рис. 1.1 элементов со
стоит в следующем.

Электродвигатель – электромеханический преобразо
ватель, предназначенный для преобразования электрической энергии в механическую (в некоторых режимах работы 
ЭП – для обратного преобразования энергии).

Преобразователь электроэнергии – электротехническое 

устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии одних параметров или показателей в электроэнергию других параметров или показателей и управления процессом преобразования энергии.

Механическая передача – механический преобразова
тель, предназначенный для передачи механической энергии 
от электродвигателя к исполнительному органу рабочей машины и согласования вида и скоростей их движения.

Управляющее устройство – совокупность элементов 

и устройств, предназначенная для формирования управляющих воздействий в ЭП и обеспечивающая взаимодействие 
ЭП с сопредельными системами его отдельных частей.

Система управления ЭП – совокупность преобразовате
ля электроэнергии и устройства управления, предназначенная для управления электромеханическим преобразованием 
энергии в целях обеспечения заданного движения исполнительного органа рабочей машины.

Рабочая машина – машина, осуществляющая изменение 

формы, свойств, состояния и положения предметов труда.

Исполнительный орган рабочей машины – движущийся 

элемент рабочей машины, выполняющий технологическую 
операцию.

В табл. 1.1 приведены наиболее распространенные при
меры реализации элементов ЭП.

К основным направлениям развития современного ЭП 

относятся:

– переход от нерегулируемого ЭП к регулируемому;
– все более широкое использование регулируемых ЭП 

с асинхронными и синхронными двигателями, в том числе 
и в высоковольтном исполнении;

– разработка и выпуск комплектных регулируемых ЭП 

с использованием современных полупроводниковых преобразователей и микропроцессорных средств управления;

– повышение эксплуатационной надежности, унифика
ции и улучшение энергетических показателей ЭП;

– развитие научно-исследовательских работ по созда
нию математических моделей и алгоритмов технологических процессов, компьютерных программных пакетов для 
проектирования ЭП;

– подготовка инженерно-технических и научных ка
дров, способных проектировать, производить, монтировать, 
эксплуатировать и ремонтировать современный автоматизированный электропривод в сельском хозяйстве и в различных отраслях промышленности.

Таблица 1.1

Реализация элементов ЭП

Название
Обозначение 

на схеме
Возможные виды

Электродвигатель
ЭД
Двигатели постоянного тока с различным возбуждением, асинхронные 
и синхронные двигатели, шаговый 
двигатель, вентильный двигатель, 
двигатели с катящимися и волновыми роторами, редукторные двигатели

Преобразователь 
электроэнергии

Пр
Выпрямитель, преобразователь частоты, регуляторы напряжения постоянного и переменного тока, инверторы, импульсные преобразователи напряжения

Механическая 
передача

МП
Редуктор, волновая передача, передача винт – гайка, цепная и ременная передачи, реечная передача, кривошипно-шатунный механизм

Устройство 
управления

УУ
Регулятор, микропроцессорные средства управления, программируемый 
контроллер, релейная схема, устройства памяти, логические устройства, 
драйверы, цифроаналоговые и аналого-цифровые 
преобразователи 

(ЦАП, АЦП), датчики переменных 
ЭП и технологического процесса

Решение этих и ряда других проблем позволит суще
ственно улучшить технико-экономические характеристики 
ЭП и создать тем самым базу для дальнейшего технического 
прогресса во всех отраслях экономики страны.

Классификация ЭП проводится по числу используемых 

электродвигателей, характеру движения, типам электродвигателя и силового преобразователя, структурам и технической реализации систем управления, наличию или отсутствию механической передачи и т. д. Выделим наиболее 
важные ее составляющие.

1. По соотношению числа двигателей и исполнитель
ных органов рабочих машин:

– групповой ЭП, обеспечивающий движение исполни
тельного органа нескольких рабочих машин или движение 
нескольких исполнительных органов одной рабочей машины;

– индивидуальный ЭП, обеспечивающий движение од
ного исполнительного органа одной рабочей машины;

– взаимосвязанный ЭП, состоящий из двух или более 

двигателей или механически связанных между собой ЭП, 
при работе которых поддерживается заданное соотношение 
их скоростей и (или) нагрузок, и (или) положения исполнительных органов рабочих машин. При наличии механической связи между ЭП взаимосвязанный ЭП называется 
многодвигательным, при наличии электрической связи – 
электрическим валом.

2. По характеру движения исполнительных органов ра
бочих машин:

– ЭП вращательного движения, обеспечивающий вра
щательное движение исполнительных органов рабочих машин;

– ЭП поступательного движения, обеспечивающий по
ступательное движение исполнительных органов рабочих 
машин;