1.3 电力拖动自动控制系统的发展概况与发展趋势

19世纪70年代前后，相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机作为动力设备的时代。以电动机作为动力设备，为人类社会的发展和进步、为工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。

在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、交通运输、空间技术、国防及社会生活等方面。电动机负荷约占总发电量的70%，是用电量最多的电气设备。

根据采用的电流制式不同，电动机分为直流电动机和交流电动机两大类，其中，交流电动机拥有量最多，提供给工业生产的电量多半是通过交流电动机加以利用的。经过一百多年的发展，至今已经制造了形式多样、用途各异的交流电动机。交流电动机分为同步电动机和异步（感应）电动机两大类：电动机的转子转速与定子电流的频率保持严格不变的关系，即是同步电动机；反之，若不保持这种关系，即是异步电动机。20世纪80年代以来，开关磁阻电动机、永磁无刷直流电动机（梯形波永磁同步电动机）、正弦波永磁同步电动机等新型交流电动机得到了很快的发展和应用。根据统计，交流电动机用电量占电动机总用电量的85%左右，可见交流电动机应用的广泛性及其在国民经济中的重要地位。

在实际应用中，一是要使电动机具有较高的机电能量转换效率；二是根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。以直流电动机作为控制对象的电力拖动自动控制系统称为直流调速系统；以交流电动机作为控制对象的电力拖动自动控制系统称为交流调速系统。根据交流电动机的分类，相应有同步电动机调速系统和异步电动机调速系统。

1.直流调速系统

20世纪60年代以前是以旋转变流机组供电的直流调速系统为主（见图1-6），还有一些静止式水银整流器供电的直流调速系统如图1-7所示。1957年美国通用电气公司的A.R.约克制成了世界上第一只晶闸管（SCR），这标志着电力电子时代的开始。20世纪60年代以后，以晶闸管组成的直流供电系统逐步取代了直流机组和水银整流器。20世纪80年代末期，全数字控制的直流调速系统迅速取代了模拟控制的直流调速系统。

由于直流电动机的转速容易控制和调节，在额定转速以下，保持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒转矩调速；在额定转速以上，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。近代采用晶闸管供电的转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。因此，长期以来（20世纪80年代中期以前）在变速传动领域中，直流调速一直占据主导地位。然而，由于直流电动机本身存在机械式换向器和电刷这一固有的结构性缺陷，这给直流调速系统的发展带来了一系列限制，即：

1）机械式换向器表面线速度及换向电压、电流有一极限容许值，这就限制了单机的转速和功率（其极限容量与转速乘积被限制在10⁶kW·r/min）。如果要超过极限容许值，则大大增加电机制造的难度和成本以及调速系统的复杂性。因此，在工业生产中，对一些要求特高转速、特大功率的场合则根本无法采用直流调速方案。

2）为了使机械式换向器能够可靠工作，往往增大电枢和换向器直径，使得电机体积增大，导致转动惯量大，对于要求快速响应的生产工艺，采用直流调速方案难以实现。

3）机械式换向器必须经常检查和维修，电刷必须定期更换。这就表明了直流调速系统维修检验工作量大，维修费用高，同时停机检修和更换电刷也直接影响了正常生产。

4）在一些易燃、易爆的生产场合，一些多粉尘、多腐蚀性气体的生产场合不能或不宜使用直流调速系统。

由于直流电动机在应用中存在着这样的一些限制，使得直流调速系统的发展也相应受到限制。但是目前工业生产中许多场合仍然沿用以往的直流电动机，因此在今后相当长的一个时期内直流调速和交流调速并存，直流调速系统还将继续使用。

2.交流调速系统

交流电动机，特别是笼型异步电动机，具有结构简单、制造容易、价格便宜、坚固耐用、转动惯量小、运行可靠、很少维修、使用环境及结构发展不受限制等优点。然而，长期以来由于受科技发展的限制，把交流电动机作为调速电机的难题未能得到较好的解决，在早期只有一些调速性能差、低效耗能的调速方法，如：

绕线转子异步电动机转子外串电阻调速方法（见图1-8）。

笼型异步电动机定子调压调速方法（利用自耦变压器变压调速；利用饱和电抗器变压调速）如图1-9所示。还有变极对数调速方法（见图1-10）及后来的电磁（转差离合器）调速方法（见图1-11）等。

图1-10a为一台4极电动机A相两个线圈连接示意图，每个线圈代表半个绕组。如果两个线圈处于首尾相连的顺向串联状态，根据电流方向可以确定出磁场的极性，显然为4极，如果将两个线圈改为图1-10b所示反向串联状态，致使极数减半。

20世纪60年代以后，由于生产发展的需要和节省电能（由能源危机引起）的迫切要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与开发。尤其是20世纪80年代以来，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，以变频调速为主要内容的现代交流调速系统沿着下述四个方面迅速发展。

（1）电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代推动了交流调速的迅速发展

电力电子器件是现代交流调速装置的支柱，其发展直接决定和影响交流调速技术的发展，20世纪80年代中期以前，变频调速装置功率电路主要采用晶闸管器件。装置的效率、可靠性、成本、体积均无法与同容量的直流调速装置相比。20世纪80年代中期以后采用第二代电力电子器件GTR（Giant Transistor）、GTO（Gate Turn Off thyristor）、VDMOS-IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）等功率器件制造的变频器在性能上与直流调速装置相当。20世纪90年代第三代电力电子器件问世，在这个时期中，中、小功率的变频器（1～1000kW）主要采用IGBT器件，大功率的变频器采用GTO器件。20世纪90年代末至今，电力电子器件的发展进入了第四代，主要实用的器件有：

高压IGBT器件（HVIGBT）。沟槽式结构的绝缘栅晶体管IGBT问世，使IGBT器件的耐压水平由常规1200V提高到6500V，实用功率容量为6500V/1200A，表明IGBT器件突破了耐压限制，进入第四代高压IGBT阶段，与此相应的三电平IGBT中压（2300～4160V）大容量变频调速装置进入实用化阶段。

IGCT（Insulated Gate Controlled Transistor）器件。ABB公司把环形门极GTO器件外加MOSFET功能，研制成功全控型IGCT（ETO）器件，使其耐压及容量保持了GTO的水平，但门极控制功率大大减小，仅为0.5～1W。目前实用化的IGCT功率容量为6500V/3000A，相应的变频器容量为（315~10000kW）/（6~10kV）。

IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）器件。东芝-GE公司研制的高压、大容量、全控型功率器件IEGT是把IGBT器件和GTO器件两者优点结合起来的注入增强栅晶体管。IEGT器件实用功率容量为6500V/1500A，相应的变频器容量达8～10MW。

由于GTR、GTO器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第四代以来，GTR器件已被淘汰，GTO器件也将被逐步淘汰。用第四代电力电子器件制造的变频器性能/价格比与直流调速装置相当。

第四代电力电子器件模块化更为成熟，如功率集成电路PIC、智能功率模块IPM等。模块化器件将是21世纪主宰器件。

（2）脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）技术

1964年，德国学者A.Schonung和H.Stemmler提出将通信中的调制技术应用到电机控制中，于是产生了脉冲宽度调制技术，简称脉宽调制（PWM）技术。脉宽调制技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类调速系统。

脉宽调制（PWM）种类很多，并且正在不断发展之中。基本上可分为4类，即等宽PWM、正弦PWM（SPWM）、磁链追踪型PWM（SVPWM）及电流滞环跟踪型PWM（CHBPWM）。PWM技术的应用克服了相控方法的所有弊端，使交流电动机定子得到了接近正弦波的电压和电流，提高了电动机的功率因数和输出功率。现代PWM生成电路大多采用具有高速输出口（HSO）的单片机（如80196）及高速数字信号处理器（DSP），通过软件编程生成PWM。新型全数字化专用PWM生成芯片HEF4752、SLE4520、MA818等已实际应用。

（3）矢量控制理论的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础

1971年，德国学者伯拉斯切克（F.Blaschke）提出了交流电动机矢量控制理论，这是实现高性能交流调速系统的一个重要突破。

矢量控制的基本思想是应用参数重构和状态重构的现代控制理论概念，实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程，从而使交流调速系统的动态性能得到了显著的提高，这使交流调速最终取代直流调速成为可能。目前对调速特性要求较高的生产工艺已较多地采用了矢量控制型的变频调速装置。实践证明，采用矢量控制的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。

针对电机参数时变特点，在矢量控制系统中采用了自适应控制技术。毫无疑问，矢量控制技术在应用实践中将会更加完善，其控制性能将得到进一步提高。

继矢量控制技术之后，于1985年由德国学者M.Depenbrock提出的直接自控制（DSC）的直接转矩控制，以及于1986年由日本学者I.Takahashi提出的直接转矩控制都取得了实际应用的成功。30多年的实际应用表明，与矢量控制技术相比，直接转矩控制可获得更大的瞬时转矩和快速的动态响应，因此，交流电动机直接转矩控制也是一种很有发展前途的控制技术。目前，采用直接转矩控制方式的IGBT、IEGT、IGCT变频器已广泛应用于工业生产及交通运输部门中。

（4）计算机控制技术的迅速发展和广泛应用

微型计算机控制技术的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。30多年来，由于微机控制技术，特别是以单片微机及数字信号处理器（DSP）为控制核心的微机控制技术的迅速发展和广泛应用，促使交流调速系统的控制回路由模拟控制迅速走向数字控制。当今模拟控制器已被淘汰，全数字化的交流调速系统已普遍应用。

数字化使得控制器对信息处理能力大幅度提高，许多难以实现的复杂控制，如矢量控制中的坐标变换运算、解耦控制、滑模变结构控制、参数辨识的自适应控制等，采用微机控制器后便都迎刃而解了。此外，微机控制技术又给交流调速系统增加了多方面的功能，特别是故障诊断技术得到了完全的实现。

计算机控制技术的应用提高了交流调速系统的可靠性和操作、设置的多样性和灵活性，降低了变频调速装置的成本和体积。以微处理器为核心的数字控制已成为现代交流调速系统的主要特征之一。

交流调速技术的发展过程表明，现代工业生产及社会发展的需要推动了交流调速的发展；现代控制理论的发展和应用、电力电子技术的发展和应用、微机控制技术及大规模集成电路的发展和应用为交流调速的发展创造了技术和物质条件。

20世纪90年代以来，电力传动领域面貌焕然一新。各种类型的异步电动机变频调速系统、各种类型的同步电动机变频调速系统相继出现。电压等级从110V到10000V，容量从数百瓦的伺服系统到数万千瓦的特大功率调速系统，从一般要求的调速传动到高精度、快速响应的高性能调速传动，从单机调速传动到多机协调调速传动，几乎覆盖了电力传动领域的方方面面。

3.现代交流调速的发展趋势

交流调速取代直流调速已是不争的事实，21世纪必将是交流调速的时代。当前交流调速系统正朝着高电压、大容量、高性能、高效率、绿色化、网络化的方向发展，主要有：

1）高性能交流调速系统的进一步研究与技术开发。

2）新型拓扑结构功率变换器的研究与技术开发。

3）PWM模式的改进和优化。

4）中压变频装置（我国称为高压变频装置）的开发研究。

（1）控制理论与控制技术方面的研究与开发

30多年的应用实践表明，矢量控制理论及其他现代控制理论的应用随着交流调速的发展而不断完善，从而进一步提高交流调速系统的控制性能。各种控制结构所依据的都是被控对象的数学模型，因此，为了建立交流调速系统的合理的控制结构，仍需对交流电动机数学模型的性质、特点及内在规律进行深入研究和探讨。

按转子磁链定向的异步电动机矢量控制系统实现了定子励磁电流和转矩电流的完全解耦，然而转子参数估计的不准确及参数变化造成定向坐标的偏移是矢量控制研究中必须解决的重要问题之一。

直接转矩控制技术在应用实践中不断完善和提高，其研究的主攻方向是进一步提高低速时的控制性能，以扩大调速范围。

无硬件测速传感器的系统已有许多应用，但是转速推算精度和控制的实时性有待于深入研究与开发。

近年来，为了进一步提高和改善交流调速系统的控制性能，国内外学者致力于将先进的控制策略引入交流调速系统中，诸如，滑模变结构控制、非线性反馈线性化控制、Backstepping控制、自适应逆控制、内模控制、自抗扰控制、智能控制等，已经成为交流调速发展中新的研究内容。

（2）变频器主电路拓扑结构研究与开发

提高变频器的输出效率是电力电子技术发展中主要解决的重要问题之一。提高变频器输出效率的主要措施是降低电力电子器件的开关损耗。具体解决方法是开发研制新型拓扑结构的变流器，如20世纪80年代中期美国威斯康星大学Divan教授提出的谐振直流环逆变器，可使电力电子器件在零电压或零电流下转换，即工作在所谓“软开关”状态下，从而使开关损耗降低到接近于零。

此外，电力电子逆变器正朝着高频化、大功率方向发展，这使装置内部电压、电流发生剧变，不但使器件承受很大的电压、电流应力，而且在输入、输出引线及周围空间里产生高频电磁噪声，引发电气设备误动作，这种公害称为电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）。抑制EMI的有效方法也是采用软开关技术。具有软开关功能的谐振逆变器，国内外都在积极进行研究与开发。今后串并联谐振式变频器将会有越来越多的应用。

针对交-交变频器的输出频率低（不到供电频率的1/2）的缺点，于20世纪80年代人们开始研究矩阵式变频器（Matrix Converter）（见图1-11）。矩阵式变频器是一种可选择的交-交变频器结构，其输出频率可以提高到45Hz以上。这种变频器可以拓展成AC-DC、DC-AC或AC-AC转换，且不受相数和频率的限制，并且能量可以双向流动，功率因数可调。尽管这种变频器所需功率器件较多，但它的一系列优点已经引起人们的广泛关注，必将有一个很好的发展前景。

具有PWM整流器/PWM逆变器的“双PWM变频器”（见图1-12）已进入实用化阶段，并且迅速向前发展。这种变频器的变流功率因数为1，能量可以双向流动，网侧和负载侧的谐波量比较低，减少了对电网的公害和电动机的转矩脉动，被称为“绿色变频器”，代表了交流调速一个新的发展方向。

（3）PWM模式改进与优化研究

随着中压变频器的兴起，对于SVPWM模式进行了改进和优化研究，其中为解决三电平中压变频器中点电压偏移问题，研究了虚拟电压矢量合成PWM模式（不产生中点电压偏移时的电压长矢量、短矢量、零矢量的组合），已取得了具有实用价值的研究成果；用于级联式多电平中压变频器的脉冲移相PWM技术已有应用。

（4）中压变频装置的研究与开发

中压是指电压等级为1～10kV，中、大功率是指功率等级在300kW以上。中压、大容量的交流调速系统研究与开发实践已有30多年了，逐步走上了实际应用阶段，尤其随着全控型功率器件耐压的提高，中压变频器的应用迅速加快了。应用较多的是采用IGBT、IGCT构成的三电平中压变频器（见图1-13）及级联式单元串联多电平中压变频器（见图1-14）。目前，中压变频器已成为交流调速开发研究的新领域，是热点课题之一。

中压变频器的发展受到了电力电子器件耐压等级不高的限制。为此，美国CREE公司、德国西门子公司、日本东芝公司和瑞士ABB公司等都投入巨资研制一种碳化硅（SiC）电力电子器件，其PN结耐压等级可达到10kV以上，预计不久的将来会有突破性的进展，新一代的中压变频器将随之诞生。