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来源：bsport体育注册 作者：bsport体育登录|发布时间：2024-12-24 12:06:34
电力传动与控制的核心是电机调速。按照电机类型不同，电机调速可分为直流调速和交流调速两种。直流调速在相当长的时间内一直占据调速系统的主流地位，但随着现代电机制造技术和现代电力电子技术的快速发展，以及微处理器运算能力和运算速度的大幅度提高，交流调速已经取得了长足的进步。
电机工作时，根据其控制的对象不同，有的需要在一定范围内调速，有的需要在一定负载变化范围内稳速，有的需要以一定的要求加速和减速等。总之，电机传动需要满足控制对象机械运动的力矩和速度要求。
传动是指机械之间的动力传递，将机械动力通过中间媒介传递给生产机械产生运动，从而完成一定的生产任务。以电动机作为原动机带动机械设备运动的传动方式称为电力传动（Power Drive），或称电力拖动（Power Traction）。一般情况下，电力传动装置可分为电动机、工作机构、控制设备及电源四个组成部分，如图所示。
电力传动就是利用电力电子变流装置对电机的转矩和转速这两个主要参数进行调节控制，以满足控制对象的特性要求。典型的电力传动系统框图如图所示。
需要指出的是，在许多情况下，电动机与工作机构并不同轴，而是在二者之间有传动机构，它把电动机的运动经过中间变速或变换运动方式后再传给生产机械的工作机构。
电力传动的发端可追溯到电动机的发明，但真正意义上的电力传动则是在19世纪末电力系统正式商用化之后才逐步建立的。当时鉴于直流传动具有优越的调速性能，高性能可调速传动都采用直流电动机，而约占电力传动总容量80%以上的不变速传动系统则采用交流电动机，这种分工在一段时期内为公认的格局。
由于电力系统已经普遍采用交流发电和输配电，为了给直流电机提供可用的直流电源，出现了Ward-Leonard系统，其结构如图2所示。在Ward-Leonard系统中，交流电动机和直流发电机的作用是将电网获得的交流电变为直流电动机所需的直流电，这实际上完成了电能从交流到直流的变换，因此也被称为旋转变流机组。
20世纪30年代出现了汞弧整流器，从而使变流技术从旋转阶段开始向静止阶段发展。但旋转变流机组遇到的线年以晶闸管诞生为标志的电力电子技术。可以说，此后电力传动的每一次重大突破都与电力电子技术的先行发展密切相关，没有电力电子技术的突飞猛进就没有电力传动现在的格局和未来的蓝图。
1958年晶闸管正式投入商用以后，迅速在整流领域取代旋转变流机组和汞弧整流器，开始了晶闸管整流器时代。而电力传动系统也从旋转变流机组发展到了晶闸管-直流电动机系统，也称静止Ward-Leonard系统。
事实上，在20世纪60年代，直流斩波器诞生之后，利用直流斩波器实现直流调速的思想就已经开始出现。而直流脉宽调速技术真正获得迅速发展则是以GTO、GTR为代表的全控型器件的出现以及PWM技术的推广应用。而全控型器件和PWM技术的发展，也为交流调速系统提供了强有力的支撑。
早在20世纪70年代，PWM技术，特别是SPWM技术的基本概念和理论就已经成形。1975年英国的S.R.Bowes博士在IEE会刊上发表的关于SPWM数学模型的论文已经从数学角度定量地给出了SPWM技术的谐波分布规律。人们已经清楚地知道要想获得优质的正弦波逆变器，必须采用高频SPWM技术，但当时半控型的晶闸管是难以实现高频SPWM的。
与此同时，德国科学家也提出了矢量控制的基本思想，使得交流电动机获得与直流电动机相媲美的调速性能成为可能。但同样限于晶闸管的开关频率，以及微处理器的运算速度，矢量控制技术也未得到真正应用。但交流传动在当时也并非毫无进展。由晶闸管构成的交交直接变换器，也就是周波变换器，在大容量交流电动机调速中开始推广应用。
交流传动方面另一个重要的进展是静止Scherbius系统的出现，我国通常将之称为「串级调速」系统。虽然串级调速系统的调速范围有限，但其在大型风机、水泵等原来不调速的系统中的应用还是能带来可观的节能效果。
随着20世纪70年代末全控型器件GTO、GTR以及电力MOSFET的相继出现，特别是20世纪80年代中后期IGBT的问世，电力电子技术进入到了高频时代。电力传动领域首先在直流脉宽调速系统中取得进展，而后交流传动系统则以后发制人的姿态全面挺进，直至现在交流传动系统已经成为电力传动领域中的主导者。这种转变主要是因为交流异步电动机的制造成本和维护费用远低于同等容量的直流电动机，换向能力也限制了直流电动机的容量和速度。而矢量控制技术和1990年前后出现的直接转矩控制技术的工业化实现使交流传动系统获得了与直流传动系统相媲美的良好性能。
以现代变频调速技术为核心的交流传动系统迅速普及，全面进入到生产生活的各个领域。相比于交流传动系统的迅猛发展，直流传动系统的市场份额则日益萎缩，但在某些场合，如重型机械领域，直流传动系统仍然占有一席之地。
电力传动的电机通常分为两大类∶一类是直流电源供电的直流电机，另一类是交流电源供电的交流电机。还有一些与常见的交直流电机结构不同的特殊电机，统称为特殊电机。
采用直流电机进行转矩、转速的调节和控制的传动称为直流传动；采用交流电机进行转矩、转速的调节和控制的传动称为交流传动；采用特殊电机的传动，称之为特殊电机的电力传动。
从控制目标的角度来说，电力传动又可以分为以速度为控制目标的调速系统和以位置为控制目标的位置随动系统。
直流传动和交流传动在19世纪90年代先后诞生。在20世纪的大部分时间里，鉴于直流电机具有对速度进行完全和便利的控制能力，高性能的传动都采用直流电机；结构简单、维护量少的交流电机由于转矩和转速的调节困难，只能用在大量的不需要调速的传动系统中。
20世纪 80年代以后，由于矢量控制技术和直接力矩控制技术的发展为交流电机调速提供了理论依据，加之电力电子可关断器件的实用化，交流传动技术开始走向成熟，其优越性开始得到显现。
因为直流电动机具有调速范围广，易于平滑调速，启动、制动和过载转矩大，易于控制，可靠性高等优点，尤其是在转速低、力矩大的应用场合，直流传动系统仍有一定优势。当然由于换相问题，直流电动机的极限容量受到限制，维护成本较高。尽管如此，由于运行特性良好以及运行经验丰富，因而在精度要求比较高的轧钢、锻压等重型机械领域，直流传动系统仍然是合适的选择。此外在数控机床、低压伺服系统、汽车电子等领域，直流传动系统也占有一定份额。
电力传动虽然分为调速传动和不调速传动，但实际上人们关注的主要是调速传动。对于不能调速传动，电力电子技术主要解决电机的起动问题（软起动）；对于调速传动，电力电子技术不仅要解决好电机的起动问题，还要解决好电机整个调速过程中的控制问题，在有的场合还必须解决好电机的停机制动和定点停机制动控制问题。
调速传动最初是为了满足电机传动对象的需要，即机械运动性能的需要。比如车辆传动中，什么时候起动、什么时候调速、什么时候停车，都是根据线路要求和路况来决定的。
随着能源的紧缺和人们节能意识的增强，调速传动已经成为电机节能的主要手段。如风机、水泵的调速已经相当普及。目的是为了节能。对于这样的离心式负载通过调速来节能，有非常好的效益。
直流电机，既可作发电机用，又可作电动机用。通以直流电而产生转动机械能的运行方式为直流电动机工作方式;施加转动机械能而发出直流电的运行方式为直流发电机工作方式。
直流电机传动主要是电动机运行方式，即通以直流电，使电机按照要求输出转矩和转速。直流电机传动在制动时，电机可以是发电机运行方式，发出直流电，把旋转机械能变成电能回馈到直流电网中。直流电机有两个独立的磁通源，且一般情况下两个磁通源相互正交（垂直）。一个磁通源用于建立电机主磁场，也称励磁磁通，由定子上的励磁绕组产生；另一个磁通源由转子绕组的电流产生。通以电流的转子绕组在主磁场作用下受力，带动转子旋转。转子绕组也称电枢绕组。转子电流也称电枢电流。这两个独立的磁通源可以独立控制，也口以某种形式的组合控制。直流传动电机两端电压的调节根据供电电源是交流电源还是直流电源，分为 AC/DC的整流方式和 DC/DC的直流斩波方式。
对于AC/DC的整流方式，电机两端电压的调节主要有相控方式和脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）方式两种。如图所示是二极管全波整流桥、相控整流桥和 PWM整流桥三种 AC/DC 整流方式的电压波形的对比。
直流传动调速非常方便，但直流电机的电刷和机械换向器给直流传动带来了诸多不便和限制。首先，机械换向器和电刷的存在，给直流电机带来了很大的维修量和维修成本。其次是机械换向器虽然损耗和功率密度不大，但是对于换向器片间电压、换向电流和电机转速有严格限制。一般地，直流电机的最高电压限制在1500 V左右，相应地，最大功率不超过800 kW。直流电机还不能用在化学腐蚀和易于爆炸的环境中。
交流传动与直流传动一样，也是为了调节转矩和转速，但交流传动的转矩和转速调节比直流传动复杂得多。交流传动一般采用三相交流电源供电形式。
交流电机一般分为异步电机和同步电机两种形式。异步电机：在定子绕组中通过三相电流，产生一个旋转运动的磁场，电机转子导体在定子旋转磁场切割下会感应出电动势从而产生转子电流。带电流的转子导体在定子磁场下受力，会带动转子跟着定子磁场旋转。但是转子的转速不能与定子的磁场旋转速度一样。否则，转子导体与定子磁场没有相对运动，就不能切割磁力线，也就不能感应出转子电动势了。这就是异步电动机的基本工作原理。感应电机就是因为是由电机的定子磷场与转子异步运动从而感应出电动势而得名。
同步电机：转子与异步电机的不一样，同步电机的转子是有磁场的，要么外加励磁，要么采用永磁材料。在同步电机定子中通过三相电流，产生一个旋转运动的磁场，就带动具有磁场的转子一起运动，这相当干定子磁体吸引着转子磁体起运动。因此，定子旋转磁场的转速与转子的转速是一样的、同步的。
异步电机与同步电机的定子结构差不多，都是通以三相交流电进行工作的。图所示是电力电子DC/AC三相逆变器驱动交流电机的示意图。
交流电机定子磁场的旋转速度与施加给定子的电流频率成比例关系。这样，电机的定子磁场转速可以折算成定子频率。异步电机的定子磁场转速与转子转速之差称为转差。转差折算成频率称为转差频率；显然，同步电机的转差频率为零。由此看来，对于同步电机，只能通过调节定子电压（电流）频率来实现转速的平滑调节；对于异步电机，除了调节定子电压（电流）频率外，还可以通过调节转差频率来实现转速的平滑调节。异步电机中通过调节转差频率来实现调速的方法比较多：
一是通过调节电机两端电压来调速。这种方法对于风机和水泵类离心式负载比较适用，允许的转差频率可以大范围变化，这种方法对于恒转矩负载不适用，因为允许的转差频率变化很小。
二是通过转子串联电阻来调速。这种方法只适用于转子绕线式电机，且这种调速方法工作效率低，转差功率全消耗在串入的电阻上。
为了提高工作效率，转子回路中不串入电阻，而是接入一个转差频率的功率变换装置，把这部分能量送回给电网。这种方法就是第三种方法，称为串级调速。
目前交流电机最为普遍的调速方法，无论是同步电机还是异步电。
