電力拖動自動控制系統主講人：潘月斗北京科技大學自動化學院電力拖動自動控制系統全書分為四大部分，分別講述:第一部分：電力拖動直流調速系統；第二部分：電力拖動交流調速系統；第三部分：電力拖動伺服系統；第四部分：電力拖動自動控制系

統數字化設計。

第1章

交、直流調速系統

緒論內容概要*電力拖動及其自動控制系統電力拖動自動控制系統的特點電力拖動自動控制系統的發展概況與發展趨勢本章講述：內容概要*電力拖動及其自動控制系統電力拖動自動控制系統的特點電力拖動自動控制系統的發展概況與發展趨勢本章講述：電力拖動及其自動控制系統電力拖動自動控制系統中除了電動機、傳動機構、以及工作機械外，還有在電源與電動機之間配置的自動控制裝置，其設備組合示意圖如圖1-1所示。圖1-1電力拖動自動控制系統的設備組成情況示意圖*

依據圖1-1按照閉環結構形式所組成的電力拖動自動控制系統如圖1-2所示。可以看出，電力拖動自動控制系統由電動機及其負載、電力電子電能變換電路、控制器及信息檢測器等按照負反饋原則而構成的。*圖1-2電力拖動自動控制系統閉環組成圖*

電動機分為兩大類，即直流電動機和交流電動機。交流電動機分為兩大類，即異步電動機（也稱為感應電動機）和同步電動機。電力電子變換電路由半導體電力電子開關器件構成。*

對于直流調速系統而言是采用半控型晶閘管(SCR)器件組成的整流電路（或采用全控器件構成的直流PWM變換電路）；對于現代交流調速系統而言，采用電力電子全控型器件(IGBT、IEGT、IGCT)組成的逆變電路。*

電力拖動自動控制系統有多種分類方法，其中，按被控物理量來分類有利于與其他自動控制系統相區別。其物理概念清晰，能夠反映電力拖動自動控制系統本身特征。電力拖動自動控制系統可歸納成如圖1-3所示的分類圖。電力拖動自動控制系統的分類：*

圖1-3電力拖動自動控制系統分類*1.電力拖動自動控制系統的反饋控制規律（1）反饋控制系統的功能反饋控制系統的功能是：抑制擾動，跟隨給定。它能有效地抑制一切被負反饋通道所包圍的前向通道上的擾動作用，對于給定作用的變化則是嚴格跟蹤。但是在反饋通道上的測速反饋系數發生變化，它非但不能得到反饋控制系統的抑制，反而會造成被調量的誤差。其結構圖1-4所示：電力拖動自動控制系統的特點*圖1-4電力拖動自動控制系統的設備組成情況示意圖*

如果產生給定電壓的電源發生波動，反饋控制系統無法產生跟隨作用。因此，高精度的調速系統必須有更高精度的給定穩壓電源。

反饋檢測裝置的誤差是反饋控制系統無法克服的。（2）系統的精度依賴于給定和反饋檢測的精度*

電力拖動自動控制系統的主要特征就是它的轉矩-轉速控制特性，可用運動方程式來描述，如下所示。2.轉矩-轉速控制特性是電力拖動自動控制系統的基本特征旋轉運動方程式：（1-1）*式中

機械轉動慣量(Kg·m2)；

轉子的機械角速度(rad/s)；

轉子的機械轉角(rad)；

電磁轉矩(N·m)；

負載轉矩(N·m)；

阻轉矩阻尼系數；

扭轉彈性轉矩系數。*

忽略阻尼轉矩和扭轉彈性轉矩，則運動控制系統的基本運動方程式可簡化為：（1-2）

若采用工程單位制，則式（1-2）的第1行應改寫為：（1-3）*式中

轉動慣量，習慣稱飛輪力矩(N·m2)，

；n轉子的機械轉速(r/min)，

。直線運動方程式：（1-4）式中F拖動力(N)；

拖動阻力(N)；慣性力為。*

如圖0-5所示，與電力拖動自動控制系統的相關學科有：電機與電力拖動基礎、電力電子學（電力電子技術）、計算機控制技術、信號檢測與處理技術等。除此之外，電力拖動自動控制系統的研究和技術開發是以計算機仿真技術和計算機輔助設計作為工具的。3.電力拖動自動控制系統的學科特點*

圖1-5電力拖動自動系統與其相關學科*1.電力拖動調速系統的發展概況和趨勢1）直流調速系統20世紀60年代以前是以旋轉變流機組供電的直流調速系統為主（見圖1-6）。20世紀60年代以后以晶閘管組成的直流供電系統逐步取代了直流機組和水銀整流器。20世紀80年代末期全數字控制的直流調速系統迅速取代了模擬控制的直流調速系統。電力拖動自動控制系統的發展概況與發展趨勢*圖1-6直流發動機-直流電動機系統*2）交流調速系統

交流電動機，特別是鼠籠型異步電動機，具有結構簡單、制造容易、價格便宜、堅固耐用、轉動慣量小、運行可靠、很少維修、使用環境及結構發展不受限制等優點。在早期只有一些調速性能差、低效耗能的調速方法，繞線式異步電動機轉子外串電阻調速方法（見圖1-8）如下。*圖1-8繞線式異步電動機轉子外串電阻調速方法*

鼠籠式異步電動機定子調壓調速方法（利用自耦變壓器變壓調速；利用飽和電抗器變壓調速；利用晶閘管交流調壓器調壓調速）如圖1-9所示。還有變極對數調速方法（見圖1-10）及后來的電磁（轉差離合器）調速方法（見圖1-11）等。*圖1-8鼠籠式異步電動機定子調壓調速方法*圖1-10變極對數調速方法原理圖圖1-11電磁轉差離合器調速系統*3）現代交流調速的發展趨勢高性能交流調速系統的進一步研究與技術開發；新型拓撲結構功率變換器的研究與技術開發；PWM模式的改進和優化；中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的開發研究。*

隨著交流調速技術的迅速發展，交流伺服系統在伺服系統中成為主導方面。

感應式異步電動機交流位置伺服系統具有良好的發展前景，是未來伺服技術的發展方向之一。2.電力拖動調速系統的發展概況和趨勢*3.電力拖動自動控制系統的網絡控制

近年來，工業控制網絡技術廣泛地應用于工業生產中，工業控制系統由原來單一、獨立的控制系統發展到復雜、集成的工業控制網，構成多層的開放自動化系統結構（見圖1-16）。*圖1-16開放式的三層網絡結構*

在設備層，基于CAN的DeviceNet網絡（見圖1-17）可以不經過I/O模塊接口而直接通過單一纜線將底層設備與控制器連接，可以在不切斷網絡電源的條件下自由地接入或移去設備。

在控制層，ControlNet也是現在CAN的基礎上產生和發展起來的，ControlNet網絡（見圖1-18）將I