电力传动控制系统

第1章 电力传动控制系统的基本结构与组成1. 根据电力传动控制系统的基本结构，简述电力传动控制系统的基本原理和共性问题。

答：电力传动是以电动机作为原动机拖动生产机械运动的一种传动方式，由于电力传输和变换的便利，使电力传动成为现代生产机械的主要动力装置。

电力传动控制系统的基本结构如图1-1所示，一般由电源、变流器、电动机、控制器、传感器和生产机械（负载）组成。

图1-1 电力传动控制系统的基本结构电力传动控制系统的基本工作原理是，根据输入的控制指令（比如：速度或位置指令），与传感器采集的系统检测信号（速度、位置、电流和电压等），经过一定的处理给出相应的反馈控制信号，控制器按一定的控制算法或策略输出相应的控制信号，控制变流器改变输入到电动机的电源电压、频率等，使电动机改变转速或位置，再由电动机驱动生产机械按照相应的控制要求运动，故又称为运动控制系统。

虽然电力传动控制系统种类繁多，但根据图1-1所示的系统基本结构，可以归纳出研发或应用电力传动控制系统所需解决的共性问题：1）电动机的选择。

电力传动系统能否经济可靠地运行，正确选择驱动生产机械运动的电动机至关重要。

应根据生产工艺和设备对驱动的要求，选择合适的电动机的种类及额定参数、绝缘等级等，然后通过分析电动机的发热和冷却、工作制、过载能力等进行电动机容量的校验。

2）变流技术研究。

电动机的控制是通过改变其供电电源来实现的，如直流电动机的正反转控制需要改变其电枢电压或励磁电压的方向，而调速需要改变电枢电压或励磁电流的大小；交流电动机的调速需要改变其电源的电压和频率等，因此，变流技术是实现电力传动系统的核心技术之一。

3）系统的状态检测方法。

状态检测是构成系统反馈的关键，根据反馈控制原理，需要实时检测电力传动控制系统的各种状态，如电压、电流、频率、相位、磁链、转矩、转速或位置等。

因此，研究系统状态检测和观测方法是提高其控制性能的重要课题。

4）控制策略和控制器的设计。

任何自动控制系统的核心都是对控制方法的研究和控制策略的选择，电力传动控制系统也不例外。

根据生产工艺要求，研发或选择适当的控制方法或策略是实现电力传动自动控制系统的主要问题。

2．直流电动机有几种调速方法，其机械特性有何差别？ 答：直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系为a ae U RI n C Φ-=考虑到他励直流电动机电枢电流与电磁转矩e T 的关系e T a T C I Φ=，可以将其机械特性写成如下形式：0e n n T β=-式中0a e /n U C Φ=称作理想空载转速，2e T /R C C βΦ=为机械特性的斜率。

由上式可知，有以下三种调节直流电动机转速的方法： 1）改变电枢回路电阻R （图1-2）。

n e图1-2 改变电枢电阻的人为机械特性2）减弱励磁磁通Φ（图1-3）。

n n e图1-3 改变磁通的人为机械特性3）调节电枢供电电压a U （图1-4）。

T e图1-4 调压调速的机械特性比较三种调速方法可知，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，实现一定范围内的弱磁升速；调节电枢供电电压的方式既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。

因此，直流调速系统往往以变压调速为主，仅在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。

3. 从异步电动机转差功率sl P 的角度，可把交流调速系统分成哪几类？并简述其特点。

答：异步电动机按其转子构造可分为笼型转子异步电动机和绕线转子异步电动机，可以根据实际应用要求选择电动机。

异步电动机的转速方程为()p601sf n s n =-由上式可知，若改变供电频率s f 或改变电动机极对数p n 则可调速，这就是变频调速和变极对数调速的由来。

另外，通过改变定子电压、绕线转子异步电动机转子串电阻或外接可变电源可以改变转差率s 来实现异步电动机的转速调节。

为更科学地进行分类，按照交流异步电动机的原理，从定子传入转子的电磁功率em P 可分成两部分：一部分mem (1)P s P =-是拖动负载的有效功率，称作机械功率；另一部分em sl P sP =是传输给转子电路的转差功率，与转差率s 成正比。

从能量转换的角度看，转差功率sl P 是否增大，是消耗掉还是得到回收，是评价调速系统效率高低的标志。

从这点出发，又可以把异步电动机的调速系统分成三类：1）转差功率消耗型。

调速时全部转差功率都转换成热能消耗掉，它是以增加转差功率的消耗来换取转速的降低（恒转矩负载时），这类调速方法的效率最低，越向下调效率越低。

2）转差功率馈送型。

调速时转差功率的一部分消耗掉，大部分则通过变流装置回馈电网或转化成机械能予以利用，转速越低时回收的功率越多，其效率比前者高。

3）转差功率不变型。

这类调速方法无论转速高低，转速降都保持不变，而且很小，因而转差功率的消耗基本不变且很小，其效率最高。

目前通常采用笼型转子异步电动机实现低于同步转速的调速，调速方法可选择定子变压调速、定子变压变频调速等方案；当需要高于同步转速运行或其他特殊应用场合时，则需采用绕线转子异步电动机，通过定子和转子实行双馈调速。

4. 利用电力电子器件，可以构成哪几种直流输出变换器？试简述各自的基本拓扑结构和换流模式。

答：利用电力电子器件，可以构成相控整流器、直流斩波器和PWM 整流器等三种直流输出变换器。

1）相控整流器（图1-5）。

图1-5 V-M 系统的结构示意图AC~2）直流斩波器（图1-6、图1-7）。

图1-6 采用二极管整流与斩波器的直流变换器结构图1-7 直流斩波器-电动机系统原理与电压波形b ）电压波形图u U++_3）PWM 整流器（图1-8）。

图1-8 单相全桥PWM 整流器（b ）换流模式I（c ）换流模式II （d ）换流模式III（a ）电路原理图d5. 试简述交流变频器的分类，分析比较各自的特点。

答：由于高性能的交流调速系统需要现代电力电子变流器既能改变电压又能改变频率，因此，交流输出变流器是一种变压变频装置，通常称为变频器。

目前，交流输出变换器主要有交-直-交变频器和交-交变频器两大类：（1）交-直-交变频器交-直-交变频器的基本原理是：首先将交流电通过整流器变成直流电，然后再通过逆变器变成交流电。

由于中间直流环节的存在，故而称为交-直-交变频器，又可称为间接式的变压变频器。

目前，有多种方式实现交-直-交变频器的电能变换，主要应用于电力传动控制系统的有下面四种方式：1）采用相控整流器与六拍逆变器组成的交-直-交变频器（图1-11、图1-13）。

六拍变流器的优点是：在整流环节进行调压控制，在逆变环节进行调频控制，两种控制分开实现，概念清楚，控制简便。

但由于早期采用晶闸管整流和逆变，带来了如下不足：○1 如果采用晶闸管相控整流，在交流输入端造成网侧功率因数低和高次谐波大的问题； ○2 六拍逆变器由于晶闸管的工作频率的限制，变频控制范围有限，且输出不是正弦波，谐波含量高。

图1-11 晶闸管交-直-交变频器逆变器~图1-13 六拍逆变器的两种类型（b ）电流源逆变器（a ）电压源逆变器2）PWM 变频器（图1-14、图1-15）。

PWM 变频器的调制方法主要包括正弦波脉宽调制（SPWM ）、消除指定次数谐波的PWM 控制（SHEPWM ）、PWM 跟踪控制、电压空间矢量PWM （SVPWM ）等。

PWM 变频器的优点如下：○1 在主电路整流器和逆变器两个单元中，只有逆变单元是可控的，通过它同时调节电压和频率，结构简单。

采用全控型的功率开关器件，通过驱动电压脉冲进行控制，驱动电路简单，效率高。

○2 输出电压波形虽是一系列的PWM 波，但由于采用了恰当的PWM 控制技术，正弦基波的比重较大，影响电动机运行的低次谐波受到很大的抑制，因而转矩脉动小，提高了系统的调速范围和稳态性能。

○3 逆变器同时实现调压和调频，动态响应不受中间直流环节滤波器参数的影响，系统的动态性能也得以提高。

○4 采用不可控的二极管整流器，电源侧功率因数较高，且不受逆变器输出电压大小的影响。

图1-14 PWM 变频器的构成（b ）PWM 调制原理（a ）主电路拓扑结构图1-15 PWM 逆变器的主电路拓扑及工作原理3) 双PWM 变频器（图1-26）。

双PWM 变频器的特点是： ○1 可方便的实现四象限运行； ○2 采用PWM 整流控制，可任意调节网侧功率因数，使功率因数小于1、等于1或大于1； ○3 可大大减小电流谐波。

～图1-26　双PWM 变频器的基本结构4）多电平逆变器（图1-27）。

多电平逆变器的优点主要有：○1 多电平逆变电路对器件的耐压要求不高，其开关器件所承受的关断电压由所串联的各开关器件分担；○2 多电平逆变器输出的负载相电压为多电平的阶梯波，相对于两电平电路其输出波形阶梯增多，其形状更接近于正弦波，且阶梯波调制时，开关损耗小，效率高；○3 多电平逆变器随着输出电平数的增加，各电平幅值变化降低，这就使得它对外围电路的干扰小，对电机的冲击小，在开关频率附近的谐波幅值也小。

在开关频率相同的条件下，谐波比两电平要小得多。

图1-27 二极管中点钳位三电平变频器的拓扑结构（2）交-交变频器（图1-28、图1-30）。

与交-直-交变频器相比，交-交变频器的优点是：○1 采用电网自然换流，由一次换流即可实现变压变频，换流效率高； ○2 能量回馈方便，容易实现四象限运行； ○3 低频时输出波形接近正弦。

但是，交-交变频器也存在一些缺点： ○1 使用晶闸管数量多，接线复杂； ○2输出频率范围窄，只能在1/2~1/3电网频率以下调频； ○3 由于采用相控整流，功率因数低。

VR~~图1-28 单相交-交变频器的电路结构图1-30 三相交-交变频器的电路结构6．有哪些转速检测方法？如何获得数字转速信号？答：常用的转速检测传感器有测速发电机、旋转编码器等。

测速发电机输出的是转速的模拟量信号；旋转编码器则为数字测速装置。

转速检测传感器输出的模拟信号先经过信号调节器，进行放大、电平转换、滤波、阻抗匹配、调制和解调等信号处理过程，然后进行A/D 转换，实现模拟信号到数字信号的转换，包括离散化和数字化。

离散化是以一定的采样频率s f 对模拟信号进行采样，即在固定的时间间隔s 1/t f ∆=上取信号值。

数字化是将所取得信号值进行数字量化，用一组数码来逼近离散的模拟信号的幅值，逼近程度由A/D 芯片的位数来决定。

7. 调速范围和静差率的定义是什么? 调速范围与静态速降和最小静差率之间有什么关系? 为什么说“脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了”？答：生产机械要求电动机提供的最高转速max n 和最低转速min n 之比，称为调速范围，用字母D 来表示，即max minn D n =式中，max n 和max n 一般都指电动机额定负载时的最高转速和最低转速。