变流技术与运动控制--第 1 课

2、按驱动电机的类型分：
（1）用直流电机带动生产机械的为直 流传动系统； （2）用交流电机带动生产机械的为交 流传动系统。 3、按控制器的类型分：
（1）以模拟电路构成的控制器叫模拟 控制系统；
（2）以数字电路构成的控制器叫数字 控制系统。
运动控制系统的共同特点：
1、被控量的过渡过程较短，一般为 秒级甚至毫秒级。 2、传动功率范围宽，可从几毫瓦 到几百兆瓦。 3、调速范围大，宽调速系统的调速 范围可达到1:10000，在没有变速装置的 情况下，转速从最低每小时几转到最高每 分钟几十万转。
运动控制系统分两大部分介绍：
一、变流技术 （1）电力电子器件 （2）可调直流电源 （3）可调交流电源 二、运动控制 （1）直流调速系统 （2）交流调速系统
0.3 运动控制系统的发展过程及应用
19世纪80年代以前，直流电气传动是唯 一的电气传动方式。 19世纪末，出现了交流电，交流电气传 动在工业中逐步得到广泛的应用。
电力电子器件的制造技术是电力电子 技术的基础。
变流技术则是电力电子技术的核心。 1、变流技术的电力电子变换器分为四大类: （1）交流→直流——整流 （2）直流→交流——逆变
（3）直流→直流——斩波
（4）交流→交流——交流调压，变频
2、电力电子技术的发展史
一般认为： 电力电子技术的诞生是以1957年美国 通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。
（2）交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子技术： 电气机车的直流机车中采用整流装置； 交流机车采用变频装置； 直流斩波器也广泛用于铁道车辆； 在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是 一项关键技术； 除牵引电机传动外，车辆中的各种辅助电源 也都离不开电力电子技术。 电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力 变换和驱动控制，其蓄电池的充电也离不开电力 电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机， 它们也要靠变频器和斩波器驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。
3、电力电子技术的应用 电力电子技术不仅用于一般工业； 也广泛用于交通运输、电力系统、通信系 统、计算机系统、新能源系统等； 在照明、空调等家用电器及其他领域中也 有着广泛的应用。 （1）一般工业 工业中大量应用的各种交直流电动机， 都是用电力电子装置进行调速的。 尤其是一些对调速性能要求高、且具有 高压高速的系统中，近年来已经多采用由电 力电子器件构成的变压变频装置，实现交流
二、 什么是运动控制
运动控制系统——是以机械运动的驱动 设备——电动机为控制对象，以控制器为 核心，以电力电子功率变换装置为执行机 构，在自动控制理论的指导下组成的电气 传动自动控制系统。 运动控制系统（montion control system） ----称为----电力拖动控制系统（ control system of electric drive）
运动控制系统的任务：
通过对输入量的控制 ----电动机的电压、电流、频率等。 改变输出量的量值 ----工作机械的转矩、速度、位移等。 达到和满足对生产工艺及其应用的需要 ----工作机械按人们期望的要求运行。
运动控制系统的种类： 1、按被控物理量分：
（1）以转速为被控量的系统叫调速系统；
（2）以角位移或直线位移为被控量的系 统叫位置随动系统，有时也叫伺服系统。
0.4 运动控制系统的发展趋势
1、高频化。 低频的半控器件——晶闸管在中小功率 范围将被高频的全控器件——大功率晶体管 所代替。 2、交流化。 现有的直流调速系统将被交流调速系统 取代； 原来恒速运行的交流传动系统将改为交 流调速系统； 原来直流调速所不能达到的高转速、大 功率领域，也将采用交流调速系统。
电力系统中的无功补偿或谐波抑制所用到的： 晶闸管控制电抗器（TCR） 晶闸管投切电容器（TSC） 静止无功发生器（SVG） 有源电力滤波器（APF） 等都是电力电子器件所构成的电力电子装置。 在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电 网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能 质量控制，改善供电质量。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操 作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。
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三、目前，交流调速系统已占据主导地位
近三、四十年来，随着电力电子技术、微电子 技术、现代控制理论的发展，为交流调速产品的开 发创造了有利的条件。
交流调速特点： 交流调速已经具备了宽调速范围、高稳速精度、 快速动态响应和四象限运行等良好的技术性能。
并实现了产品的系列化，从调速性能上完全可 与直流调速相媲美。
这也就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。
（2）全控型电力电子器件
70年代后期： 以门极可关断晶闸管（GTO） 电力双极型晶体管（BJT） 电力场效应晶体管（Power-MOSFET） 为代表的全控型器件迅速发展起来。
全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅 极）的控制既可使其开通又可使其关断。
采用全控型器件的电路的主要控制方式： 为 脉冲宽度调制（PWM） 方式。 相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式，简 称斩控方式。
在20世纪的大部分时间里，基本形成直
流调速、交流不调速的格局。
一、直流调速系统的发展过程： 1、旋转变流机组控制。 2、放大机、磁放大器控制。 3、用静止的晶闸管变流装置和模拟控制 器实现直流调速。
4、用可控整流和大功率晶体管组成的 PWM控制电路实现数字化的直流调速。
二、直流调速的弱点： 1、直流电机具有电刷和换向器，制造 工艺复杂且成本高，维护麻烦，使用环境受 到限制。 2、很难向高转速、高电压、大容量发 展。
（3）电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电 能中，有60%以上的电能至少经过一次以上电 力电子变流装置的处理。
直流输电在长距离、大容量输电时有很 大的优势，其送电端的整流阀和受电端的逆 变阀都采用晶闸管变流装置。
而轻型直流输电则主要采用全控型的 IGBT器件。
近年发展起来的柔性交流输电（FACTS） 也是依靠电力电子装置才得以实现的。
4、可获得良好的动态性能和较高的 稳速精度或定位精度。 5、电动机空载损耗小，效率高，短 时过载能力强。
6、可四象限运行，制动时能量回馈 电网，较之内燃机、涡轮机优点突出。 7、可以控制单台电机运行，也可多 台协调控制运行，只是控制方法略有不同 而已。 8、只要合理地选择控制方案，几乎 可以适用于任何传动场合。
表0.1 控制器 转速/电流/电压 调节器
运动控制系统各部分的组成 功率驱动装置 电动机
三相桥式晶闸管整流装置 直流电动机
P/PI/PID调节器
模糊控制器 自适应控制器 标量控制器 矢量控制器 直接转矩控制器
三相半波晶闸管整流装置 交流电动机
异步机 不可控整流+PWM斩波器 (绕线式/鼠笼式) 交交变频器 交直交变频器 电压型逆变器 电流型逆变器 同步电机 永磁同步电机 开关磁阻电机 无换向器电机
变流技术与运动控制
长沙理工大学 电气与信息工程学院
第0章 绪论
0.1 基本概念 一、 什么是变流技术
变流技术是用现代电力电子技术（电力 学、电子学、控制理论）来实现交流变直流 、直流变交流、直流电变直流电和交流电变 交流电的一门技术。 也就是用电力电子器件(Power Electronic Device)构成电力变换电路(Power Conversion Circuit)并对其进行控制的技术。即构成电力 电子装置(Power Electronic Equipment)或电力 电子系统(Power Electronic System)的技术。
3、网络化。
大规模的多机协同工作的高度自动化的 复杂系统将取代单机控制。
因此需要计算机网络的支持，传动设备 及控制器作为一个节点联到现场总线或工业 控制网上，实现集中的或分散的生产过程实 时监控。
本课程教学要求
1、先修课程： 《电机与拖动》 《电力电子技术》 《微电子技术》 《自动控制原理》 《计算机控制技术》 《信号检测与处理技术》 2、课程特点： 涉及的知识面广，物理概念多，理解难度大。 3、学习方法： 课前预习，课后及时复习，独立认真地完成作 业，通过练习与实验熟练掌握控制原理和设计方法。
0.2 运动控制系统的基本结构Байду номын сангаас
模拟控制器 数字控制器 混合控制器 电力电子器件： 1、晶闸管SCR（半控型） 2、功率晶体管GTO、GTR、MOSFET（ 直流电动机 全控型） 交流电动机 3、复合控制模块IGBT
电网 控制器
给定 +
-
功率驱 动装置
电动机及 负载
信号处理
传感器
信号转换： 图0.1 运动控制系统的基本结构 电压匹配、极性转换、脉冲整形、A/D转换 信号处理： 电压、电流、频率传感器 滤波、比较、鉴别、换算 转速、位移传感器
（1）晶闸管时代
晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，迅 速得到了长足的应用。电力电子技术的概念和基础 就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不 能使其关断的器件，属于半控型器件。 对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式， 简称相控方式。 晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来 实现。
在80年代后期：
以绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的复 合型器件异军突起。
它是MOSFET和BJT的复合，综合了两者的优 点。 与此相对，MOS控制晶闸管（MCT）和集成 门极换流晶闸管（IGCT）复合了MOSFET和GTO。
（3）电力电子集成电路（PIC）
把驱动、控制、保护电路和电力电子器件集成 在一起，构成电力电子集成电路（PIC），这代表 了电力电子技术发展的一个重要方向。 电力电子集成技术包括以PIC为代表的单片集 成技术、混合集成技术以及系统集成技术。 随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电 子电路的工作频率也不断提高。 与此同时，软开关技术的应用在理论上可以使 电力电子器件的开关损耗降为零，从而提高了电力 电子装置的功率密度。