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 a

e 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0

a 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

()p

601s

f 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m

em (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

d

5. 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