第1章 绪论

1.1 电力传动及控制系统

在家庭、学校、工厂和农村，到处都可看到以电动机为动力的家用电器或各种各样的机械设备。例如：电风扇、空调机、洗衣机、冰箱、打印机、复印机、印刷机、电梯、风机、水泵、油泵、起重机、机床、轧钢机、锻压机、搅拌机、电动工具、皮带输送机、提升机、空气压缩机、分离机、钻机以及各种农业机械等。这种以电动机为动力来拖动各种电器设备和生产机械的拖动方式，就称为电力传动（又称电力拖动）。由于电力传动方式效率高，便于控制，所以在各行各业中得到广泛应用。

只要有电能的场合，就可利用电动机将电能转变为机械能，然后拖动各种电器设备和生产机械进行启动、稳定运行、调速、制动与停车，以满足人们生活、工作和进行各种生产的要求。根据应用场合和电源情况的不同，电动机有直流电动机、交流异步电动机和交流同步电动机，以及不同需求的特种电动机。

直流电动机把直流电能转变为机械能，其突出优点是调速范围宽，易于平滑调速，启动、制动和过载转矩较大，并且易于控制；缺点是电机结构较复杂，制造成本较高，存在换向问题使其单机容量、最高转速和使用环境受到限制，维护不便。交流电动机把交流电能转变为机械能，它和直流电动机相比，尤其是异步电动机，由于结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便，因此成为各行各业中使用最广泛的一种电动机；缺点是启动与过载转矩小，其调速与转矩控制比较复杂，调速性能不够理想。随着电力电子技术、计算机技术、微电子技术和现代控制技术的发展，交流调速系统的性能和经济指标已赶上直流调速系统，一些原来用直流电动机来拖动的生产机械和设备正逐步被交流电动机所取代。

随着现代工业自动化的发展，对生产过程的自动化程度，机械加工的准确度和精度等要求越来越高。电力传动系统不仅包括拖动生产机械设备的电动机，而且包括控制电动机的一整套控制系统。所以，用于生产过程的电力传动系统一般由电动机、控制设备、传动机构、生产机械和电源组成，如图1.1所示。

图1.1 电力传动系统框图

电力传动系统按照电动机类型分为直流传动系统和交流传动系统；按照机组形式分为单台电动机传动系统和成组多机传动系统；按照运动方式分为单方向运转的不可逆传动系统和双方向运转的可逆传动系统；按照用途形式分为主传动系统和辅助传动系统。

直流传动系统在一个较长的时期内，由于它的启动性能、调速性能和转矩控制性能较好，在调速要求较高的应用领域里一直占着主导地位。

20世纪70年代以后，功率晶体管（BJT）、门极关断晶闸管（GTO）、功率MOS场效应晶体管（Power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、MOS控制晶闸管（MCT）、集成门极换向晶闸管（IGCT）、电子注入增强门极晶体管（IEGT）等一批新型电力电子器件的问世，为交流传动系统的发展奠定了物质基础。随着新型电力电子器件的不断涌现，交流变频技术得到飞速发展。磁通跟踪型PWM逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆，由于控制简单、数字化方便，已呈现出取代传统SPWM的趋势；电流跟踪型PWM逆变器兼有电压和电流控制型逆变器的优点，其电流动态响应快、实现方便；PWM逆变器工作频率的进一步提高将受到开关损耗的限制，由于应用谐振技术使功率开关在零电压或零电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为零，使逆变器效率高、体积小、重量轻、成本低。

在交流变频技术飞速发展的同时，交流传动控制技术也取得突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。20世纪70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，它应用坐标变换将三相系统转换为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的；20世纪80年代中期提出的直接转矩控制方法，它采用空间矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，不用对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化。

DSP及各种微处理器的应用，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化，数字化技术使得复杂的控制得以实现，简化了硬件，降低了成本，提高了系统的可靠性，使操作、维护更加方便。

随着现代控制理论的发展，电力传动控制技术的发展日新月异，非线性解耦控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等各种新的控制策略正在不断涌现，必将推动电力传动控制技术的进一步发展。