电力传动系统动力学

特点：性能优良、效率高、可靠性强、控制方便。
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电力传动自动控制系统的组成
电源
功率变换器 （主电路）
控 反馈 制 信息 器 监测
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n θ
速度 传感器
电动机
传
动
工作
机
机械
构
指令
电气控 制装置
电力传动的机械部分
电力传动自动控制系统的组成：控制装置、电动机、传动机
构、生产机械和电源组成 。
电动机把输入的电能转换为机械能，机械传动机构将机械能 传递给工作机械；而控制装置完成对电动机的转矩、转速以 及工作机械位移的自动控制，以满足生产工艺的要求。
1956年晶闸管在Bell实验室诞生，开始了第二次电子革命。从此， “电子”进入了强电领域，电力电子器件成为弱电控制强电的纽带， 进入了电力电子时代。（1958年，美国通用公司研制出工业用晶闸管）
随着大批新型电力电子器件的问世，电力传动技术得到了飞速发展， 如交流变频技术。其后，自动化和计算机技术也应用于电动机控制， 使得电力传动系统发生了质的飞跃。
电力传动技术概述
主要内容：
电力传动及其自动控制系统 电力传动自动控制系统的发展概况
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1、电力传动及其自动控制系统
物质、能量和信息是人类赖以生存的三大基本要素。
电能
传输 变换 十分方便 分配
现代能源
电机是主要的机电能量转换装置。
电能生产： 发电机
电能
电能使用： 电动机
机械能
原动机种类很多，电动机就是一种原动机。电力传动就是 使用电动机作为原动机拖动电器设备和生产机械运动、把 电能转换为机械能、以完成一定的生产任务的过程。
微机控制技术的迅速发展和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，使得交流调速系统的控制回路由模拟方式迅 速走向数字方式，全数字化的交流调速系统也普遍使用。
➢ 20世纪60年代以来，尤其是80年代以后，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物质基础和技术条件。
（1）电力电子器件的蓬勃发展推动了交流调速的迅速发展。
如，绝缘栅晶体管IGBT（SIEMENS公司），耐压4500V，使用功 率3300V/1200A；绝缘栅控制晶体管IGCT（ABB公司），门极控制 功率仅为0.5~1W，实用化功率容量4500V/3000A，变频器容量为 （315~10000kW）/（6~10kV）；（第四代）电力电子器件模块化更为
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继矢量控制技术之后，20世界80年代中期，德国鲁尔大学的德彭布 罗克（Depenbrock）教授成功实现了直接转矩控制。与矢量控制相 比，直接转矩控制可获得更大的瞬时转矩和极快的动态响应。目前 采用直接转矩控制的IGBT、IGCT变频器已广泛用于工业生产和交通 运输部门。
（4）微型计算机控制技术
➢ 20世纪60年代以后，也就是进入电力电子时代以后，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。
➢ 在变速传动领域中，由于采用晶闸管供电的转速、电流双闭环直流 调速系统，获得了优良的静态、动态调速特性，所以长期以来，直 流调速一直占据主导地位。
➢ 本课程以研究调速系统为主。
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2、电力传动自动控制系统的发展概况
17世纪末，人类开始使用蒸汽作为动力。1782年瓦特发明了第一台 连续运转的蒸汽机，开创了机器时代。
1831年法拉第发现电磁感应现象，1888年感应电动机诞生。从此开 始了电动机与电力传动时代，即电气时代。统计数据表明，目前， 电动机负荷约占总发电量的70%。电动机作为动力机械，为人类社 会的发展和进步做出了巨大贡献。
（3）矢量控制理论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，实现了高性能交流调速系统的一个重要突破。矢量控制 的基本思想是通过参数重构和状态重构的现代控制概念，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性能得 到显著的改善，为最终取代直流调速奠定了理论基础。
成熟，如功率集成电路PIC、智能功率模块IPM等。
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（2）脉宽调制技术
将通信中的调制技术应用到电动机控制中，产生了脉宽调制技术，简 称脉宽调制（PWM）。脉宽调制技术的发展和应用优化了变频装置 的性能，使得交流电动机定子得到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。脉宽调制种类很多，而且还在继续发 展。新型数字化PWM芯片得到应用，如SLE4520等。
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交流调速系统
➢ 交流电动机，特别是鼠笼式异步电动机，具有结构简单、价格便宜、 坚固耐用、运行可靠、很少维护等优点获得广泛的使用。然而，在 早期由于受科技发展的限制，只能采用低效、耗能的调速方法。 ——转子串电阻调速。 ——定子调压调速，如自耦变压器变压调速。 ——变极对数调速、转差离合器的电磁调速等。
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电力传动调速系统的发展概况和趋势
直流调速系统
➢ 20世纪60年代以前，以旋转变流机组供电的直流系统为主。
A
电能
LD
MI
GF
MD B
RLC
ΦF
R放
K
RLF
1C
2C
3C
4C
机械能
负载
ΦD RLD
图中，拖动机械负载的直流电机MD由直流发电机GF直接供电；交流 电机MI拖动直流发电机GF；励磁机LD为发电机GF和电动机MD励磁绕 组提供直流电源。φF和φD为直流发电机和直流电动机的励磁绕组. 6
直流电动机自身存在固有的缺陷：机械换向器和电刷，给直流调速 系统的发展带来一系列的限制。
— 机械换向器表面线速度及换向电压、电流有一定容限值。 — 为可靠工作，往往需要增大电枢和换向器的直径，体积变大。 — 机械换向器必须经常维修、电刷必须定期更换等。
➢ 目前，工业生产中许多场合仍然沿用以往的直流电动机。在今后一 段时间内，直流调速和交流调速并存，直流调速还将继续使用。
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电力传动自动控制系统的分类
➢ 主要分为两大类：以电动机的转速为被控制量的系统 称为调速系统；以工作机械的角位移或直线位移为被 控制量的系统称为伺服系统，也叫位置随动系统。
➢ 虽然电力传动自动控制系统种类不同，但是各种电力 传动系统都是通过控制电动机的转速来工作的，因此 调速系统是最基本的电力传动系统。