第4章 电气传动调速的性能指标

4.1 基本概念

一般具有如下情况之一的工作机械，就可以采用调节速的电气传动系统：

-工艺过程需要调速的机械，例如起重机、电铲、可逆轧机等机械；

-需要精确运动控制的机械，例如连轧机、造纸机、冷轧带钢后处理线等机械；

-有计量要求的机械，例如给料机、计量泵等计量装置；

-自动控制的加工机床，如数控机床等；

-希望通过调速节能的机械，如水泵、风机等。

调速的电气传动系统的最明显的特点就是在电源和电动机之间装有自动控制的变流器。

随着技术的不断发展和降低成本的需要，很多原本不需要调速的机械提出调速的要求，而且这种趋势呈上升的势头。由于计算机技术的发展，使得新工艺、新技术层出不穷，而且自动控制理论中的新思想也在电气传动系统中得到应用。目前调速的电气传动系统正在方兴未艾地快速发展，以满足日新月异的工艺要求。

自动控制的电气传动系统可以更好地实现两项功能：第一，借助于变流器，使得电能转变成机械能的手段更加灵活，简化了机械传动机构，效率更高；第二，通过调节速度、转矩等功能，提高了运动控制的精度，达到提高产量、提高产品质量、改善加工精度的目的。工作机械的运动控制包括速度控制、转矩控制和位置控制。虽然利用机械传动机构或液压装置也能实现运动控制，但是在技术性和经济性方面都没有太大的优势。

调速型电气传动系统不仅要保证在稳态时速度（或转矩）调节精度，而且还要保证在过渡过程时速度（或转矩）实现最优的调节质量。如果电动机直接与电源相连接，无法保证调速的性能。只有在电源和电动机之间装有能量变换的半导体变流器，并且变流器由复杂的自动控制系统控制其工作，才能保证很高的调节性能。变流器的调节量是电压、频率或脉冲宽度等电能参数，变流器的控制系统通过这些可调参数对电动机的电流、频率和励磁电流进行控制。

控制系统内部的主要部分是被控制量的调节器，大多数工作机械采用速度调节器进行速度控制，也有对转矩或者位置进行控制的情况。通常这些调节器都是采用闭环控制，即采用被控量作为调节器的负反馈参数。典型的速度调节器的结构框图如图4-1所示。

图4-1 速度调节器的结构框图

速度设定值ω_set可以由操作工手动设定（如电铲、起重机），也可以由工作机械本身的自动控制系统设定（如数控机床的CNC），还可以由上一级的工艺自动控制系统设定（如连轧机的基础自动化系统）。

由速度检测装置测出速度反馈值ω_act。常用的测速装置有测速发电机、脉冲编码器或者利用数学模型计算电动机的转速。速度反馈系数k_α是把实际速度值转变成与速度设定值同样量纲的系数。严格讲，反馈系数还应当考虑时滞因素。

速度调节器通常是比例调节器或者是比例积分调节器，它的传递函数W_ASR（s）参数对于静态调速性能（如调速范围、调速精度）和动态性能指标（如快速性、超调量、振荡次数等）的影响是非常重要的。

调节对象是由变流器、电动机、工作机械组成。反馈通道是由速度传感器构成。设定值、调节器、调节对象和反馈通道共同构成电气传动系统。不同类型的电气传动系统的主要区别就在于使用不同类型的电动机，变流器的类型也要随之改变。

速度控制的本质是使实际速度跟随设定值的变化，其关键在于利用实际速度作为负反馈量。如果速度设定值保持不变，实际速度也应当不变，这就是所谓的恒速控制。在这种情况下，调节器的作用是对系统的扰动量如电压波动、负载变化等实现响应，以维持速度稳定。