电力拖动自动控制系统 综述

《电力拖动自动控制系统》综述报告
摘要本课程主要介绍了电力拖动自动控制系统——运动控制系统的任务是通过控制电动机电压、电压、电流、频率等输入量，来改变工作机械
的转矩、速度、位移等机械量，是各种工作机械按人们期望的要求运行，
以满足生产工艺及其他应用的需要。

关键词电力拖动能量变换自动控制
一、课程简介
1、课程专业地位以及学习目标
电力拖动自动控制系统是普通高等学校电气工程及其自动化专业中一门重要的专业课，涉及内容较多，并具有较强的理论性和实践性。

随着科学技术的迅猛发展以及社会对人才培养提出的更高要求，如何采用有效的教学方法，提高课程的教学质量已成为电力拖动控制系统课程教学任务中不可回避的重要问题。

为了培养和提高学生的发现、分析以及解决问题的能力，为今后深入学习相关专业知识和专业技能打下结实的基础。

2、学习时间分布
为便于有计划、有步骤的学习，做出了学习进度安排，第2章转速反馈控制的直流调速系统5-6周、第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统3-4周、第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统2-3周、第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统1-2周、第6章基于动态模型的异步电动机调速系统1-2周、第7章绕线转子异步电动机双馈调速系统1-2、第8章同步电动机变压变频调速系统3-4周。

为达到复习巩固所学知识的目的，课程还安排了各章的作业题。

二、课程内容及要点
电力拖动自动控制系统包括：直流调速系统和交流调速系统。

第一篇直流调速系统中第2、3章为重点掌握的内容。

直流调速系统中，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

由
于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

调速方法有（1）调压调速（2）调阻调速（3）调磁调速。

调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。

三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。

改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

第2章转速反馈控制的直流调速系统主要介绍了变压调速是直流调速系统的主要调速系统方法，系统的硬件结构至少包含了两个部分:能够调节直流电动机电枢电压的直流电源和产生被调转速的直流电动机。

第3章转速、电流反馈控制的直流调速系统主要介绍了转速、电流反馈控制的直流调速系统是静、动态性能优良、应用最广的直流调速系统，着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法。

第4章可逆控制和弱磁控制的直流调速系统主要介绍了直流PWM可逆直流调速系统，PWM调速系统的可逆控制比较简单，但它的可逆控制存在着能量回馈问题。

第二篇交流调速系统中第5、6章为重点掌握的内容。

交流调速系统包括：交流调速系统的主要类型、交流变压调速系统、交流变频调速系统、绕线转子异步电机双馈调速系统——转差功率馈送型调速系统和同步电动机变压变频调速系统。

交流调速系统中，随着电力电子技术的发展，使得采用电力电子变换器的交流拖动系统得以实现，特别是大规模集成电路和计算机控制的出现，高性能交流调速系统便应运而生，一直被认为是天经地义的交直流拖动按调速性能分工的格局终于被打破了。

这时，直流电机具有电刷和换相器因而必须经常检查维修、换向火花使直流电机的应用环境受到限制、以及换向能力限制了直流电机的容量和速度等缺点日益突出起来，用交流可调拖动取代直流可调拖动的呼声越来越强烈，交流拖动控制系统已经成为当前电力拖动控制的主要发展方向。

交流拖动控制系统的应用领域主要有三个方面：（1）一般性能的节能调速（2）高性能的交流调速系统和伺服系统（3）特大容量、极高转速的交流调速。

常见的交流调速方法有：①降电压调速；②转差离合器调速；③转子串电阻调速；④绕线电机串级调速或双馈电机调速⑤变极对数调速；⑥变压变频调速等等。

在研究开发阶段，人们从多方面探索调速的途径，因而种类繁多是很自然的。

现在交流调速的发展已经比较成熟，为了深入掌握其基本原理，就不能满足于这种表面上的罗列，而要进一步探讨其本质，认识交流调速的基本规律。

按电动机的能量转换类型分类，按照交流异步电机的原理，从定子传入转子的电磁功率可分成两部分：一部分是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分是传输给转子电路的转差功率，与转差率s 成正比。

第5章基于稳态模型的异步电动机调速系统主要介绍了异步电动机具有结构简单、制造容易、维修工作量小等优点，早期多用于不可调拖动。

随着电力电子技术的发展，静止式变频器的诞生，异步电动机在可调拖动中逐渐得到广泛的应用。

第6章基于动态模型的异步电动机调速系统主要介绍了异步电动机具有非线性、强耦合性、多变量的性质，要获得高动态调速性能，必须从动态模型出发，分析异步电动机的转矩和磁链控制规律，研究高性能异步电动机的调速方案。

第7章绕线转子异步电动机双馈调速系统主要介绍了控制绕线转子异步电动机的转子电压可以利用其转差率实现转速调节，构成转差功率馈送型调速系统，效率较高，且具有良好的调速性能。

第8章同步电动机变压变频调速系统主要介绍了同步电动机直接投入电网运行时，存在失步与起动困难两大问题，曾制约着同步电动机的应用。

同步电动机的转速恒等于同步转速，所以同步的电机的调速只能是变频调速。

变频技术的发展与成熟不仅实现了同步的电动机的调速，同时也解决了失步与起动困难问题，使之不再是限制同步的电机运行的障碍。

三、学习小结
1.电力拖动自动控制系统是一门知识综合性强、内容覆盖宽的课程。

在电机基础运行特性方面与电机及拖动基础课程相衔接，在电力电子变换器方面与电力电子技术课程相衔接，在控制系统分析运用到自动控制理论课程的知识，在控制器的构成方面应用到到电路、模拟电子技术、数字电子技术及有关计算机控制等课程的知识，内容包括交直流电机的多种控制系统结构，控制目标有转速调节和位置随动系统。

2.电力拖动自动控制系统知识与技术更新速度较快。

在电力电子变换器中，以晶闸管为主半控器件已经基本上被功率开关器件所取代，因而变换技术也从相位控制转变成脉宽调制(PWM)，在控制中，模拟电子控制已基本上让位于数字电子控制，交流拖动系统逐步取代直流拖动系统已成为不争的事实，而且交流拖动控制技术本身也在不断的发展。

3.电力拖动自动控制系统是一门理论和应用密切联系，工程实用性很强的课程。

课程着重讲授各门知识的综合和运用，学会运用知识，这是创新的基础。

通过对课程的学习，关于直流调速有了更深刻的认识。

以西门子“6RA70 系列全数字直流调速系统装置”为例与课程内容“直流调速”部分相结合。

可以分析得到a.课程介绍直流调速系统用的可控直流电源有2种，脉宽调制变换器（PWM 系统）目前主要用于中小功率系统，在工业中应用的中大功率系统中以晶闸管－电动机调速系统（V-M 系统）为主。

如①介绍保护装置安全运行的各种保护电路及元器件；②介绍电磁兼容性(EMC)的基本原理，介绍晶闸管整流装
置的干扰辐射和抗干扰性，介绍无线电干扰抑制滤波器和进线电抗器的作用及选择。

b.直流调速系统多采用转速、电流双闭环结构，工程设计方法要使问题简化，突出主要矛盾，按线性典型系统设计，这部分是课程直流调速系统的重点，难点则是非典型系统的典型化。

直流调速本质上存在非线性，转速环和电流环的调节器都采用比例－积分调节器（PI 调节器），现代调速系统多采用数字控制方式且采用功能模块化编程，介绍西门子“6RA70 系列全数字直流调速系统装置”数字PI 调节器模块的图形化及其“软连线”。

c.为突出学习内容的先进性和适应性，力求反映科技发展的新产品、新工艺和新技术，在直流控制系统的数字控制一章。

主要介绍数字控制数闭环直流控制系统；M 法、T 法和M/T 法三种测量电机转速的方法及各自特点；数字PI 调节器以及连续函数离散化的方法。

西门子“6RA70 系列全数字直流调速系统装置”三种反馈方式即电枢电压反馈、测速机转速反馈和编码器转速反馈；介绍西门子“6RA70 系列全数字直流调速系统装置”利用数字控制具有灵活性的特点对数字PI 调节器参数柔性化处理，使得系统控制性能指标远远优于传统模拟控制系统的性能指标。

我们作为电气工程及其自动化本科毕业生有相当多的学生到生产一线工作，需要具有更强的能解决工程实际问题的人才分析、解决工程实际问题能力应为电力拖动自动控制系统课程重要的学习环节。

现代调速系统都以成套产品提供，功能很强，、从系统原理、性能方面指导使用，才能充分利用和挖掘其应有的潜力。

生产一线技术人员的主要工作是维护和运行，要有较强的运用知识分析解决工程实际问题能力，才能在出现故障时对原因作出准确的判断快速的排除。

学习过程既不能面面俱到，又不能局限于单一，应着重于共性即以原理为主，使我们学生将来适应能力更强。

四、结束语
1.由于课程涉及内容较多，并具有一定的理论性和实践性，所以在内容安排上以原理介绍和定性分析为主，即尽可能减少复杂的数值计算和公式推导过程，在讲清楚基本工作原理的基础上，重点突出各个环节的物理含义和作用，学习目的是培养和提高我们的发现、分析以及解决问题的能力，为今后深入学习相关专业知识和专业技能打下坚实的基础。

2.电力拖动自动控制系统课程结合“工程案例”学习，让我通过直接和间接的途径去亲身经历和体会发现知识的过程，使我们本科毕业生从“接受知识”的学习过程向“发现知识”的探索过程的过渡的初步尝试。

这类学习从传统的知识型学习，向开发我们学生潜能、培养创新思维和能力的创新型学习转变，实现从“教为中心”向“学为中心”的转变；这类学习活动能调动学生的学习积极性，培养他们分析问题、解决问题的能力。

3.在充分理解课程精髓的基础上，经过不断的探索和勇于实践，实际证明案例是提高学习质量的有效途径，是提高自身综合素质和能力的有效方法。