運動控制系統(tǒng)專題講座

1、運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 重點介紹運動控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展歷重點介紹運動控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢概況史及發(fā)展趨勢概況，包括，包括5節(jié)內容。節(jié)內容。 1.1 運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成 1.2 運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 1.3 運動控制系統(tǒng)的轉矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的轉矩控制規(guī)律 1.4 生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩特性 1.5 同步電動機調速控制系統(tǒng)同步電動機調速控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 電力拖動實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量變換，而電力拖動實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量變換，而電力拖動電力拖動自動

2、控制系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)運動控制系統(tǒng)的任務是通過控制電動機電運動控制系統(tǒng)的任務是通過控制電動機電壓、電流、頻率等輸入量，來改變工作機械的轉矩、速度、壓、電流、頻率等輸入量，來改變工作機械的轉矩、速度、位移等機械量，使各種機械按人們期望的要求運行，以滿足位移等機械量，使各種機械按人們期望的要求運行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應用的需要。生產(chǎn)工藝及其他應用的需要。 現(xiàn)代運動控制技術以各類電動機為控制對象，以計算機和其現(xiàn)代運動控制技術以各類電動機為控制對象，以計算機和其他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的他電子裝置為控制手段，以電力電子裝置為弱電控制強電的紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為理

3、論基礎，以計算紐帶，以自動控制理論和信息處理理論為理論基礎，以計算機數(shù)字仿真和計算機輔助設計（機數(shù)字仿真和計算機輔助設計（CAD）為研究和開發(fā)的工具。）為研究和開發(fā)的工具。 由此可見，由此可見，現(xiàn)代運動控制技術已成為電機學、電力電子學、現(xiàn)代運動控制技術已成為電機學、電力電子學、微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理微電子技術、計算機控制技術、控制理論、信號檢測與處理技術等技術等多門學科相互交叉的綜合性學科。多門學科相互交叉的綜合性學科。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座圖圖1-1 運動控制及其相關學科運動控制及其相關學科運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.1 運動

4、控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成 運動控制系統(tǒng)由電動機、功率放大與變換裝置、控制器及相運動控制系統(tǒng)由電動機、功率放大與變換裝置、控制器及相應的傳感器等構成，其結構如圖應的傳感器等構成，其結構如圖1-2所示。所示。圖圖1-2 運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)及其組成運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.1.1 電動機電動機 運動控制系統(tǒng)的控制對象為電動機，電動機根據(jù)工作原理可分運動控制系統(tǒng)的控制對象為電動機，電動機根據(jù)工作原理可分為直流電動機、交流感應電動機（交流異步電動機）和交流同為直流電動機、交流感應電動機（交流異步電動機）和交流同步電動機等，根據(jù)用途可分為用于調速系統(tǒng)的拖動電動

5、機和用步電動機等，根據(jù)用途可分為用于調速系統(tǒng)的拖動電動機和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動機。于伺服系統(tǒng)的伺服電動機。 直流電動機結構復雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的直流電動機結構復雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉速與容量轉速與容量。極限容量和速度之積約為。極限容量和速度之積約為 ， 交流電動機（尤其是籠型感應電動機）結構簡單、制造容易，交流電動機（尤其是籠型感應電動機）結構簡單、制造容易，無須機械換向器，因此其允許轉速與容量均大于直流電動機無須機械換向器，因此其允許轉速與容量均大于直流電動機。 同步電動機的轉速等于同步轉速，機械特性硬，功率因數(shù)可調同步電動機的轉速等于同步轉速，機械特性

6、硬，功率因數(shù)可調。但在恒頻電源供電時調速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了但在恒頻電源供電時調速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動機的調速，還解決了其起動和失步問題，有效地促進同步電動機的調速，還解決了其起動和失步問題，有效地促進了同步電動機在運動控制系統(tǒng)中的應用。了同步電動機在運動控制系統(tǒng)中的應用。6max100 . 3nPN運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.1.2 功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置 功率放大與變換裝置有電機型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)功率放大與變換裝置有電機型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電子型的。在多用電力電子型的。電力電子器件經(jīng)歷了由半控型向全

7、控電力電子器件經(jīng)歷了由半控型向全控型、由低頻開關向高頻開關、由分立的器件向具有復合功能型、由低頻開關向高頻開關、由分立的器件向具有復合功能的功率模塊發(fā)展的過程。的功率模塊發(fā)展的過程。電力電子技術的發(fā)展，使功率放大電力電子技術的發(fā)展，使功率放大與變換裝置的結構趨于簡單、性能趨于完善。與變換裝置的結構趨于簡單、性能趨于完善。 晶閘管（晶閘管（SCR）是第一代電力電子器件的典型代表，屬于半）是第一代電力電子器件的典型代表，屬于半控型器件，通過門極只能使晶閘管開通，而無法使它關斷控型器件，通過門極只能使晶閘管開通，而無法使它關斷。該類器件可方便地應用于相控整流器（該類器件可方便地應用于相控整流器（AC

8、DC）和有源逆變）和有源逆變器（器（DCAC），但用于無源逆變（），但用于無源逆變（DCAC）或直流）或直流PWM（脈寬調制）方式調壓（脈寬調制）方式調壓（DCDC）時，必須增加強迫換流回）時，必須增加強迫換流回路，使電路結構復雜。路，使電路結構復雜。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 第二代電力電子器件是全控型器件，通過門極既可以使器件第二代電力電子器件是全控型器件，通過門極既可以使器件開通，也可以使它關斷開通，也可以使它關斷，例如，例如MOSFET、IGBT、GTO等。等。此類器件用于無源逆變（此類器件用于無源逆變（DCAC）和直流調壓（）和直流調壓（DCDC）時，時，無須強迫換流回

9、路，主電路結構簡單無須強迫換流回路，主電路結構簡單。第二代電力電子。第二代電力電子器件的另一個特點是器件的另一個特點是可以大大提高開關頻率，用可以大大提高開關頻率，用PWM技術技術控制功率器件的開通與關斷，可大大提高可控電源的質量。控制功率器件的開通與關斷，可大大提高可控電源的質量。 第三代電力電子器件的特點是由單一的器件發(fā)展為具有驅動、第三代電力電子器件的特點是由單一的器件發(fā)展為具有驅動、保護等功能的復合功率模塊保護等功能的復合功率模塊，提高了使用的安全性和可靠性。，提高了使用的安全性和可靠性。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.1.3 控制器控制器 控制器分模擬控制器和數(shù)字控制器

10、兩類，也有模數(shù)混合的控控制器分模擬控制器和數(shù)字控制器兩類，也有模數(shù)混合的控制器，現(xiàn)在已越來越多地采用數(shù)字控制器。制器，現(xiàn)在已越來越多地采用數(shù)字控制器。 模擬控制器常用運算放大器及相應的電氣元件實現(xiàn)，具有物模擬控制器常用運算放大器及相應的電氣元件實現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點理概念清晰、控制信號流向直觀等優(yōu)點，其控制規(guī)律體現(xiàn)在，其控制規(guī)律體現(xiàn)在硬件電路和所用的器件上，因而線路復雜、通用性差、控制硬件電路和所用的器件上，因而線路復雜、通用性差、控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響。效果受到器件性能、溫度等因素的影響。 以微處理器為核心的數(shù)字控制器的硬件電路標準程度高、制以微處理器

11、為核心的數(shù)字控制器的硬件電路標準程度高、制作成本低，而且沒有器件的溫度漂移的問題?？刂埔?guī)律體現(xiàn)作成本低，而且沒有器件的溫度漂移的問題。控制規(guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來靈活方便在軟件上，修改起來靈活方便。此外，還擁有信息儲存、數(shù)。此外，還擁有信息儲存、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器難以實現(xiàn)的功能。據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器難以實現(xiàn)的功能。 然而，模擬控制器的所有運算能在同一時刻并行運行，控制然而，模擬控制器的所有運算能在同一時刻并行運行，控制器的滯后時間很小，可以忽略不計；而一般的微處理器在任器的滯后時間很小，可以忽略不計；而一般的微處理器在任運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 何時刻只能

12、執(zhí)行一條指令，屬于串行運行方式，其滯后時間何時刻只能執(zhí)行一條指令，屬于串行運行方式，其滯后時間比模擬控制器大得多，在設計系統(tǒng)時應予以考慮。比模擬控制器大得多，在設計系統(tǒng)時應予以考慮。 1.1.4 信號檢測與處理信號檢測與處理 運動控制系統(tǒng)中常需要電壓、電流、轉速和位置的反饋信號，運動控制系統(tǒng)中常需要電壓、電流、轉速和位置的反饋信號，為了真實可靠地得到這些信號，并實現(xiàn)功率電路（強電）和為了真實可靠地得到這些信號，并實現(xiàn)功率電路（強電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應的傳感器。電壓、控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應的傳感器。電壓、電流傳感器的輸出信號多為連續(xù)的模擬量，而轉速和位置傳電

13、流傳感器的輸出信號多為連續(xù)的模擬量，而轉速和位置傳感器的輸出信號因傳感器的類型而異，可以是連續(xù)的模擬量，感器的輸出信號因傳感器的類型而異，可以是連續(xù)的模擬量，也可以是離散的數(shù)字量。也可以是離散的數(shù)字量。由于控制系統(tǒng)對反饋通道上的擾動由于控制系統(tǒng)對反饋通道上的擾動無抑制能力，所以，信號傳感器必須有足夠高的精度，才能無抑制能力，所以，信號傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準確性保證控制系統(tǒng)的準確性。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 信號轉換和處理包括電壓匹配、極性轉換、脈沖整形等，對信號轉換和處理包括電壓匹配、極性轉換、脈沖整形等，對于計算機數(shù)字控制系統(tǒng)而言，必須將傳感器輸出的模

14、擬或數(shù)于計算機數(shù)字控制系統(tǒng)而言，必須將傳感器輸出的模擬或數(shù)字信號變換為可用于計算機運算的數(shù)字量字信號變換為可用于計算機運算的數(shù)字量。數(shù)據(jù)處理的另一。數(shù)據(jù)處理的另一個重要作用是去偽存真，即從帶有隨機擾動的信號中篩選出個重要作用是去偽存真，即從帶有隨機擾動的信號中篩選出反映被測量的真實信號，去掉隨機的擾動信號，以滿足控制反映被測量的真實信號，去掉隨機的擾動信號，以滿足控制系統(tǒng)的需要。系統(tǒng)的需要。 常用的數(shù)據(jù)處理方法是信號濾波常用的數(shù)據(jù)處理方法是信號濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構成的濾波電路，而計算機數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬器件構成的濾波電路，而計算機數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用

15、模擬濾波電路和計算機軟件數(shù)字濾波相結合的方法。濾波電路和計算機軟件數(shù)字濾波相結合的方法。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.2 運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展運動控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展 直流電動機電力拖動與交流電動機電力拖動在直流電動機電力拖動與交流電動機電力拖動在19世紀中葉先后誕世紀中葉先后誕生（生（1866年德國人西門子制成了自激式的直流發(fā)電機；年德國人西門子制成了自激式的直流發(fā)電機；1890年年美國西屋電氣公司利用尼古拉美國西屋電氣公司利用尼古拉特斯拉的專利研制出第一臺交流特斯拉的專利研制出第一臺交流同步電機；同步電機；1898年第一臺異步電動機誕生年第一臺異步電動機誕生），在），在

16、20世紀前半葉，世紀前半葉，約占整個電力拖動容量約占整個電力拖動容量80%的不可調速拖動系統(tǒng)采用交流電動機，的不可調速拖動系統(tǒng)采用交流電動機，只有只有20%的高性能可調速拖動系統(tǒng)采用直流電動機。的高性能可調速拖動系統(tǒng)采用直流電動機。20世紀后半世紀后半葉，電力電子技術和微電子技術帶動了帶動了新一代的交流調速葉，電力電子技術和微電子技術帶動了帶動了新一代的交流調速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，逐步打破了直流調速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動天系統(tǒng)的興起與發(fā)展，逐步打破了直流調速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動天下的格局。下的格局。進入進入21世紀后，用交流調速系統(tǒng)取代直流調速系統(tǒng)已世紀后，用交流調速系統(tǒng)取代直流調速系統(tǒng)已成為不爭的事

17、實成為不爭的事實。 直流電動機的數(shù)學模型簡單，轉矩易于控制直流電動機的數(shù)學模型簡單，轉矩易于控制。其換向器與電刷。其換向器與電刷運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。的位置保證了電樞電流與勵磁電流的解耦。1960年以來，晶年以來，晶閘管整流器的應用，使得直流拖動控制技術得到了飛速的發(fā)閘管整流器的應用，使得直流拖動控制技術得到了飛速的發(fā)展，對直流拖動控制系統(tǒng)調節(jié)器的設計也有了一套實用的工展，對直流拖動控制系統(tǒng)調節(jié)器的設計也有了一套實用的工程設計方法。程設計方法。 交流電動機（尤其是籠型異步電動機）具有結構簡單等諸多交流電動機（尤其是籠型異步電動機）具有結

18、構簡單等諸多優(yōu)點，但其動態(tài)數(shù)學模型具有非線性多變量強耦合的性質，優(yōu)點，但其動態(tài)數(shù)學模型具有非線性多變量強耦合的性質，比直流電動機復雜得多比直流電動機復雜得多。早期交流調速系統(tǒng)的控制方法是基。早期交流調速系統(tǒng)的控制方法是基于交流電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的，其動態(tài)性能無法與直流調速于交流電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的，其動態(tài)性能無法與直流調速系統(tǒng)相比。系統(tǒng)相比。 20世紀世紀70年代德國工程師年代德國工程師FBlaschke和和WFlter等人提出等人提出“感應電機磁場定向控制原理感應電機磁場定向控制原理”，P.C.Custman和和A.A.Clark提出提出“定子電壓坐標變換控制定子電壓坐標變換控制”，這都是，

19、這都是矢量控制矢量控制的基本設的基本設想。想。1980年日本難波江章教授等人提出轉差型矢量控制，進年日本難波江章教授等人提出轉差型矢量控制，進一步簡化了系統(tǒng)結構。一步簡化了系統(tǒng)結構。1980年，德國年，德國W.Leonhard教授等用微教授等用微機機運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 實現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結構，實現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡化了系統(tǒng)的硬件結構，經(jīng)過不斷的改進和完善，形成現(xiàn)在通用的高性能矢量控制系經(jīng)過不斷的改進和完善，形成現(xiàn)在通用的高性能矢量控制系統(tǒng)。統(tǒng)。1985年，德國魯爾大學年，德國魯爾大學Depenbrock教授提出教授提出直接轉矩控直接轉

20、矩控制制，1987年把它推廣到弱磁調速范圍，其控制結構簡單，是年把它推廣到弱磁調速范圍，其控制結構簡單，是一種高動態(tài)響應的交流迢速系統(tǒng)。一種高動態(tài)響應的交流迢速系統(tǒng)。 同步電動機的轉速與電源頻率嚴格保持同步，機械特性硬。同步電動機的轉速與電源頻率嚴格保持同步，機械特性硬。電勵磁同步電動機還有一個突出的優(yōu)點，就是可以控制勵磁電勵磁同步電動機還有一個突出的優(yōu)點，就是可以控制勵磁來調節(jié)它的功率因數(shù)，使功率因數(shù)達到來調節(jié)它的功率因數(shù)，使功率因數(shù)達到1.0，甚至產(chǎn)生超前的，甚至產(chǎn)生超前的功率因數(shù)角。功率因數(shù)角。但同步電動機由電網(wǎng)直接供電時，存在起動困但同步電動機由電網(wǎng)直接供電時，存在起動困難與失步問題。

21、電力電子變頻技術的發(fā)展，成功地解決了阻難與失步問題。電力電子變頻技術的發(fā)展，成功地解決了阻礙同步電動機調速發(fā)展的這兩大問題，而永磁同步電動機和礙同步電動機調速發(fā)展的這兩大問題，而永磁同步電動機和直流無刷電動機等新型同步電動機的問世，猶如猛虎添翼，直流無刷電動機等新型同步電動機的問世，猶如猛虎添翼，使同步電動機調速得到飛速的發(fā)展。使同步電動機調速得到飛速的發(fā)展。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 高性能的運動控制系統(tǒng)需要轉速閉環(huán)控制，但速度傳感器的高性能的運動控制系統(tǒng)需要轉速閉環(huán)控制，但速度傳感器的機械安裝要求高，調試工作量大，有時由于場地及空間的限機械安裝要求高，調試工作量大，有時由于場

22、地及空間的限制，根本不允許安裝速度傳感器，制，根本不允許安裝速度傳感器，無速度傳感器控制的調速無速度傳感器控制的調速系統(tǒng)系統(tǒng)正好能彌補這些不足。無速度傳感器控制的基本方法是正好能彌補這些不足。無速度傳感器控制的基本方法是實時檢測定子電壓和電流，再依據(jù)電動機模型或合適的算法實時檢測定子電壓和電流，再依據(jù)電動機模型或合適的算法對轉速進行估算，用估算的值進行反饋控制。但這種方法受對轉速進行估算，用估算的值進行反饋控制。但這種方法受電機參數(shù)影響大，對測量噪聲敏感。如何提高轉速估算精度，電機參數(shù)影響大，對測量噪聲敏感。如何提高轉速估算精度，是進一步發(fā)展無速度傳感器控制系統(tǒng)的關鍵。是進一步發(fā)展無速度傳感器

23、控制系統(tǒng)的關鍵。 近年來，模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的應用，使運動控近年來，模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的應用，使運動控制系統(tǒng)向智能化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中，常使制系統(tǒng)向智能化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代運動控制系統(tǒng)中，常使智能控制與傳統(tǒng)智能控制與傳統(tǒng)PI控制互相結合，取長補短，既保證了系統(tǒng)控制互相結合，取長補短，既保證了系統(tǒng)的控制精度，又增加了系統(tǒng)的自學習、自調整及決策能力，的控制精度，又增加了系統(tǒng)的自學習、自調整及決策能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性。提高了系統(tǒng)的魯棒性。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.3 運動控制系統(tǒng)的轉矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的轉矩控制規(guī)律運動控制系統(tǒng)的基本運動方

24、程式為：運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式為：式中式中 J機械轉動慣量機械轉動慣量 ； m 轉子的機械角速度（轉子的機械角速度（rad/s)； m 轉子的機械轉角（轉子的機械轉角（rad）；）； Te 電動機的電磁轉矩（電動機的電磁轉矩（Nm）；）； TL 負載轉矩（負載轉矩（Nm）；）； D阻轉矩阻尼系數(shù)；阻轉矩阻尼系數(shù)； K扭轉彈性轉矩系數(shù)。扭轉彈性轉矩系數(shù)。 1)-(1 mmmmLemdtdKDTTdtdJ)(2mkg 運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 若忽略阻尼轉矩和扭轉彈性轉矩，則運動控制系統(tǒng)的基本運若忽略阻尼轉矩和扭轉彈性轉矩，則運動控制系統(tǒng)的基本運動方程式可簡化為：動方程式可簡

25、化為：2)-(1 mmLemdtdTTdtdJ若采用工程單位制，則式（若采用工程單位制，則式（1-2）的第）的第1行應改寫為：行應改寫為：3)-(1 3752LeTTdtdnGD式中式中 轉動慣量，習慣稱飛輪力矩轉動慣量，習慣稱飛輪力矩 n轉子的機械轉速（轉子的機械轉速（r/min），），2GD; 4 , )(22gJGDmN. 260mn 運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 運動控制系統(tǒng)的任務就是控制電動機的轉速和轉角，對于直運動控制系統(tǒng)的任務就是控制電動機的轉速和轉角，對于直線電動機來說就是控制速度和位移線電動機來說就是控制速度和位移。由式（。由式（1-1）和式（）和式（1-2）可知

26、，要控制轉速和轉角，唯一的途徑就是控制電動機的電可知，要控制轉速和轉角，唯一的途徑就是控制電動機的電磁轉矩磁轉矩Te，使轉速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，使轉速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉矩轉矩控制是運動控制的根本問題控制是運動控制的根本問題。 為了有效地控制電磁轉矩，充分利用電機鐵心，在一定的電為了有效地控制電磁轉矩，充分利用電機鐵心，在一定的電流作用下進可能產(chǎn)生最大的電磁轉矩，以加快系統(tǒng)的過渡過流作用下進可能產(chǎn)生最大的電磁轉矩，以加快系統(tǒng)的過渡過程，必須在控制轉矩的同時也控制磁通（或磁鏈）程，必須在控制轉矩的同時也控制磁通（或磁鏈）。因為當。因為當磁通（或磁鏈）很小時，即使電樞

27、電流（或交流電機定子電磁通（或磁鏈）很小時，即使電樞電流（或交流電機定子電流的轉矩分量）很大，實際轉矩仍然很小。何況由于物理條流的轉矩分量）很大，實際轉矩仍然很小。何況由于物理條件限制，電樞電流（或定子電流）總是有限的。因此，件限制，電樞電流（或定子電流）總是有限的。因此，磁鏈磁鏈控制與轉矩控制同樣重要控制與轉矩控制同樣重要，不可偏廢。通常在基速（額定轉，不可偏廢。通常在基速（額定轉速）以下采用恒磁通（或磁鏈）控制，而在基速以上采用弱速）以下采用恒磁通（或磁鏈）控制，而在基速以上采用弱磁控制。磁控制。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.4 生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩特性

28、 對運動控制系統(tǒng)而言，生產(chǎn)機械的負載轉矩是一個必然存在對運動控制系統(tǒng)而言，生產(chǎn)機械的負載轉矩是一個必然存在的不可控擾動輸入，生產(chǎn)機械的負載轉矩特性直接影響運動的不可控擾動輸入，生產(chǎn)機械的負載轉矩特性直接影響運動控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了對運動控控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動態(tài)性能。為了對運動控制系統(tǒng)作全面的了解，便于系統(tǒng)設計和調試，常歸納出幾種制系統(tǒng)作全面的了解，便于系統(tǒng)設計和調試，常歸納出幾種典型的生產(chǎn)機械負載轉矩特性。典型的生產(chǎn)機械負載轉矩特性。 1.4.1 恒轉矩負載特性恒轉矩負載特性 負載轉矩負載轉矩TL的大小恒定，與的大小恒定，與m或或n無關，稱做恒轉矩負載，無關

29、，稱做恒轉矩負載， TL = 常數(shù)常數(shù) （1-4） 恒轉矩負載有位能性和反抗性兩種。位能性恒轉矩負載由重恒轉矩負載有位能性和反抗性兩種。位能性恒轉矩負載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向，如圖力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向，如圖1-3a所示。反抗性恒所示。反抗性恒轉矩負載的大小不變，方向則始終與轉速反向，如圖轉矩負載的大小不變，方向則始終與轉速反向，如圖1-3b。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座圖圖1-3 恒轉矩負載特性恒轉矩負載特性a) 位能性恒轉矩位能性恒轉矩 b）反抗性恒轉矩負載）反抗性恒轉矩負載運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.4.2 恒功率負載恒功率負載恒功率負載的特

30、征是負載轉矩與轉恒功率負載的特征是負載轉矩與轉速成反比，而功率為常數(shù)，即速成反比，而功率為常數(shù)，即5)-(1 mmLLPT常數(shù)或或nnPTLL常數(shù)260式中式中 PL機械功率。機械功率。橫功率負載的特性如圖橫功率負載的特性如圖1-4所示。所示。圖圖1-4 恒功率負載特性恒功率負載特性運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.4.3 風機、泵類負載特性風機、泵類負載特性風機、泵類負載的轉矩與轉速的風機、泵類負載的轉矩與轉速的平方成正比，即平方成正比，即6)-(1 22nTmL風機、泵類負載特性如圖風機、泵類負載特性如圖1-5所示所示以上所述的各類負載是從各種實以上所述的各類負載是從各種實際負

31、載中概括出來的典型負載形際負載中概括出來的典型負載形式，實際負載可能是多個典型負式，實際負載可能是多個典型負載的組合，應根據(jù)實際負載的具載的組合，應根據(jù)實際負載的具體情況加以分析。體情況加以分析。圖圖1-5 風機、泵類負載特性風機、泵類負載特性運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.5 同步電動機調速控制系統(tǒng)同步電動機調速控制系統(tǒng) 1890年美國西屋電氣公司利用尼古拉年美國西屋電氣公司利用尼古拉特斯特斯拉的專利研制出第一臺同步電機，此后的拉的專利研制出第一臺同步電機，此后的100多年，交流同步電機以其效率高、功率因數(shù)高多年，交流同步電機以其效率高、功率因數(shù)高且可以調節(jié)等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)機

32、械傳動，特且可以調節(jié)等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)機械傳動，特別是大功率傳動中廣泛應用。別是大功率傳動中廣泛應用。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 同步電機的轉速是由定子電流頻率和電機極對數(shù)同步電機的轉速是由定子電流頻率和電機極對數(shù)決定的，同步電動機在電網(wǎng)固定頻率供電條件下做恒決定的，同步電動機在電網(wǎng)固定頻率供電條件下做恒速運行，同步電機的轉子將以定子旋轉磁場的轉速同速運行，同步電機的轉子將以定子旋轉磁場的轉速同步旋轉，故稱為同步電機步旋轉，故稱為同步電機。傳統(tǒng)同步電機的轉子繞組。傳統(tǒng)同步電機的轉子繞組采用直流激磁，在同步電機恒速運行時，調節(jié)轉子激采用直流激磁，在同步電機恒速運行時，調節(jié)轉子激磁電

33、流即可調節(jié)同步電機的功率因數(shù)，功率因數(shù)可超磁電流即可調節(jié)同步電機的功率因數(shù)，功率因數(shù)可超前或滯后，也可以等于前或滯后，也可以等于1。傳統(tǒng)同步電機的轉速是恒定傳統(tǒng)同步電機的轉速是恒定不可調的不可調的，只用于拖動恒速負載及改善功率因數(shù)的場，只用于拖動恒速負載及改善功率因數(shù)的場合。在恒定頻率下運行的大型同步電機存在著起動困合。在恒定頻率下運行的大型同步電機存在著起動困難、運行過程易發(fā)生失步和振蕩的問題，很難想象對難、運行過程易發(fā)生失步和振蕩的問題，很難想象對同步電機的轉速進行控制。同步電機的轉速進行控制。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 交流傳動分為同步電機傳動和異步電機傳動交流傳動分為同步

34、電機傳動和異步電機傳動。交流電機的轉。交流電機的轉速控制大多是通過變化頻率來實現(xiàn)的。速控制大多是通過變化頻率來實現(xiàn)的。同步電機比異步電機同步電機比異步電機變頻調速系統(tǒng)的功率因數(shù)高、變頻器容量小、電機效率高且變頻調速系統(tǒng)的功率因數(shù)高、變頻器容量小、電機效率高且轉動慣量小，在大功率傳動中同步電動機調速優(yōu)勢明顯轉動慣量小，在大功率傳動中同步電動機調速優(yōu)勢明顯。 從從20世紀世紀30年代的后期，人們就開始研究同步電機的調速問年代的后期，人們就開始研究同步電機的調速問題。通過檢測同步電機轉子磁極的位置，以適當?shù)捻樞蚺c題。通過檢測同步電機轉子磁極的位置，以適當?shù)捻樞蚺c電機繞組相連的閘流管導通，代替直流電機

35、的換向器和電刷電機繞組相連的閘流管導通，代替直流電機的換向器和電刷的功能，形成由變流器供電的自控式同步電機，也稱為無換的功能，形成由變流器供電的自控式同步電機，也稱為無換向器電機。向器電機。自從晶閘管等電力電子器件發(fā)明后，同步電機變自從晶閘管等電力電子器件發(fā)明后，同步電機變頻調速控制才有了長足的進步頻調速控制才有了長足的進步。 1969年年BBC公司研制成功世界上第一臺公司研制成功世界上第一臺6400kW交交變頻同交交變頻同步電機傳動裝置，用于法國倫伯爾基水泥廠水泥球磨機無級步電機傳動裝置，用于法國倫伯爾基水泥廠水泥球磨機無級調速傳動。調速傳動。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 20世

36、紀世紀70年代，隨著交流電機磁場定向控制理論的產(chǎn)生及其年代，隨著交流電機磁場定向控制理論的產(chǎn)生及其技術的推廣應用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力技術的推廣應用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力對交流同步電機變頻調速傳動進行研究，期望這一技術應用對交流同步電機變頻調速傳動進行研究，期望這一技術應用于高性能要求的軋機主傳動及礦井提升機傳動。于高性能要求的軋機主傳動及礦井提升機傳動。1981年西門年西門子公司研制成功世界上第一臺子公司研制成功世界上第一臺4220kW交交變頻同步電機調速交交變頻同步電機調速系統(tǒng)，用于礦井提升機傳動，同年該公司又研制成功第一臺系統(tǒng)，用于礦井提升機傳動，同年該公

37、司又研制成功第一臺4000kW軋機傳動交交變頻同步電機調速系統(tǒng)，使大容量交流軋機傳動交交變頻同步電機調速系統(tǒng)，使大容量交流同步電機調速系統(tǒng)登上了高性能調速的舞臺，標志著這一技同步電機調速系統(tǒng)登上了高性能調速的舞臺，標志著這一技術的成熟。術的成熟。 迄今為止，世界上已有上千套軋機及礦井提升機傳動采用了迄今為止，世界上已有上千套軋機及礦井提升機傳動采用了交流變頻同步電機調速系統(tǒng)。交流變頻同步電機調速系統(tǒng)。 此外，負載換流交直交變頻器廣泛用于高爐鼓風機、空壓機此外，負載換流交直交變頻器廣泛用于高爐鼓風機、空壓機以及抽水蓄能電站的大型同步電機變頻起動，并應用于長距以及抽水蓄能電站的大型同步電機變頻起動

38、，并應用于長距離油氣輸送大功率高速壓縮機的驅動。離油氣輸送大功率高速壓縮機的驅動。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 隨著永磁同步電機、直線同步電機等新型電機技術的迅速發(fā)隨著永磁同步電機、直線同步電機等新型電機技術的迅速發(fā)展，大功率永磁同步電機變頻調速已成功應用于大型艦船電展，大功率永磁同步電機變頻調速已成功應用于大型艦船電力推進，力推進，永磁同步電機的功率已超過永磁同步電機的功率已超過10MW；高速磁懸浮列車；高速磁懸浮列車已進入商業(yè)運行階段，由大功率交直交變頻器供電的同步電已進入商業(yè)運行階段，由大功率交直交變頻器供電的同步電機牽引著的磁懸浮列車達到機牽引著的磁懸浮列車達到500km/

39、h的速度。交流同步電機調的速度。交流同步電機調速正在發(fā)揮越來越重要的作用。速正在發(fā)揮越來越重要的作用。 1.5.1 交流同步電機的類型交流同步電機的類型 交流同步電機真有以下幾種類型：交流同步電機真有以下幾種類型： （1）轉子直流激磁同步電機）轉子直流激磁同步電機 轉子直流激磁同步電機與傳統(tǒng)同步電機相同，是交流同步電轉子直流激磁同步電機與傳統(tǒng)同步電機相同，是交流同步電機最常見的類型。機最常見的類型。 轉子直流激磁電流可由電力電子激磁裝置通過集電環(huán)和電刷轉子直流激磁電流可由電力電子激磁裝置通過集電環(huán)和電刷送到繞組中，也可以采用無刷激磁的方式，即在同步電機軸送到繞組中，也可以采用無刷激磁的方式，即

40、在同步電機軸上安上安運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 裝一臺交流發(fā)電機作為激磁電源，感應的交流電經(jīng)過固定在裝一臺交流發(fā)電機作為激磁電源，感應的交流電經(jīng)過固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電機的激磁繞組。激磁軸上的整流器變換成直流電供給同步電機的激磁繞組。激磁電流的調節(jié)可以通過控制交流激磁發(fā)電機的定子磁場來實現(xiàn)。電流的調節(jié)可以通過控制交流激磁發(fā)電機的定子磁場來實現(xiàn)。 （2）永磁同步電機）永磁同步電機 永磁同步電機的轉子一般采用稀土永磁材料做成激磁磁極，永磁同步電機的轉子一般采用稀土永磁材料做成激磁磁極，如釤鈷合金、釹鐵硼合金等，永久磁鐵激磁使電機的體積和如釤鈷合金、釹鐵硼合金等，永久

41、磁鐵激磁使電機的體積和重量大為減小，而且永磁同步電機效率高、結構簡單、維護重量大為減小，而且永磁同步電機效率高、結構簡單、維護方便、運行可靠。方便、運行可靠。 （3）磁阻同步電機）磁阻同步電機 磁阻同步電機是由反應式同步電機發(fā)展而來的磁阻同步電機是由反應式同步電機發(fā)展而來的,它突破了傳統(tǒng)它突破了傳統(tǒng)電機的結構模式電機的結構模式,定轉子采用雙凸結構定轉子采用雙凸結構,轉子上沒有繞組轉子上沒有繞組,定子為定子為集中繞組集中繞組,比異步電機更簡單、堅固。目前已有開關磁組電機比異步電機更簡單、堅固。目前已有開關磁組電機運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 調速系統(tǒng)的產(chǎn)品，但單機容量還不夠大。調速系

42、統(tǒng)的產(chǎn)品，但單機容量還不夠大。 （4）直線同步電機）直線同步電機 直線同步電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、不直線同步電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能、不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它是需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它是20世紀下半葉電工世紀下半葉電工領域出現(xiàn)的一項高新技術。直線同步電機具有高速、大推力領域出現(xiàn)的一項高新技術。直線同步電機具有高速、大推力的特點，適合在軍事、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)輸送線等領域做的特點，適合在軍事、交通運輸、工業(yè)生產(chǎn)輸送線等領域做各種橫向或垂直運動的電氣傳動。各種橫向或垂直運動的電氣傳動。 1.5.2 交流同步電機與直流電機調速系統(tǒng)的比較交流同步

43、電機與直流電機調速系統(tǒng)的比較 交流電機與直流電機相比具有以下特點：交流電機與直流電機相比具有以下特點： （1）單機容量不受限制）單機容量不受限制 眾所周知眾所周知,直流電機由于換向器的換向能力限制了電機的容量直流電機由于換向器的換向能力限制了電機的容量 和速度和速度,直流電機的極限容量和速度之積約為直流電機的極限容量和速度之積約為6max100 . 3nPN運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 例如例如,熱連軋機主傳動直流電機功率熱連軋機主傳動直流電機功率25MW（250/590（ r/min）已達到極限值。而交流電機單機容量可以突破）已達到極限值。而交流電機單機容量可以突破這一限制，例如

44、，容量和速度之積達到這一限制，例如，容量和速度之積達到10MW（150/450（ r/min），）， ， 為設備提供更大的動力。為設備提供更大的動力。實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供實際上交流電機可以充分利用電力電子器件的能力來提高供電電壓，采用先進的電機冷卻方式，變頻調速同步電機的單電電壓，采用先進的電機冷卻方式，變頻調速同步電機的單機容量已可以達到機容量已可以達到56MW。 （2）體積小、重量輕、占地面積?。w積小、重量輕、占地面積小 由于交流電機結構簡單、體積小、重量輕，占地面積比直流由于交流電機結構簡單、體積小、重量輕，占地面積比直流電機大大減少。而支流電機不僅單機

45、體積大，而且為了減少電機大大減少。而支流電機不僅單機體積大，而且為了減少轉動慣量，常常采用雙電樞或三電樞串聯(lián)方式，占地面積很轉動慣量，常常采用雙電樞或三電樞串聯(lián)方式，占地面積很大。日本某鋼廠采用交交變頻同步電機替代了原三電樞直流大。日本某鋼廠采用交交變頻同步電機替代了原三電樞直流電機，電機功率同為電機，電機功率同為11250kW，但交流電機僅用了原直流電，但交流電機僅用了原直流電 6max105 . 4nPN運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 機機1/3的占地面積。的占地面積。 交流電機由于結構簡單、堅固，因此有可能與機械合為一體，交流電機由于結構簡單、堅固，因此有可能與機械合為一體，形

46、成機電一體化產(chǎn)品，大大簡化機械結構，減少體積和重量，形成機電一體化產(chǎn)品，大大簡化機械結構，減少體積和重量，提高可靠性。例如，傳統(tǒng)的水泥球磨機采用齒輪傳動，采用提高可靠性。例如，傳統(tǒng)的水泥球磨機采用齒輪傳動，采用交交變頻同步電機可以取消齒輪直接傳動，同步電機的轉子交交變頻同步電機可以取消齒輪直接傳動，同步電機的轉子與球磨機滾筒連為一體，實現(xiàn)高效率的無齒輪水泥球磨機傳與球磨機滾筒連為一體，實現(xiàn)高效率的無齒輪水泥球磨機傳動。動。 礦井提升機采用外轉子結構，電機外轉子直接繞鋼絲繩，使礦井提升機采用外轉子結構，電機外轉子直接繞鋼絲繩，使電機與卷筒合為一體。電機與卷筒合為一體。 軋鋼地下卷取機傳動交流同步

47、電機，將軋鋼地下卷取芯棒作軋鋼地下卷取機傳動交流同步電機，將軋鋼地下卷取芯棒作為同步電機的轉子，減少了電機的轉動慣量、體積和重量，為同步電機的轉子，減少了電機的轉動慣量、體積和重量，提高了可靠性。提高了可靠性。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 （3）轉動慣量?。┺D動慣量小 以某鋼廠以某鋼廠2050m熱連軋機為例，直流主傳動電機熱連軋機為例，直流主傳動電機24500kW （250/578（r/min）雙電樞傳動，轉動慣量為）雙電樞傳動，轉動慣量為76.8tm2 而主傳動交流同步電機而主傳動交流同步電機9000kW（250/578（r/min）單電樞）單電樞傳動，其轉動慣量為傳動，其轉動慣

48、量為17.2tm2，減少為直流電機的，減少為直流電機的1/4.5 使使整個傳動系統(tǒng)的速度響應時間由整個傳動系統(tǒng)的速度響應時間由120ms縮短到縮短到70ms，提高了，提高了產(chǎn)品質量和產(chǎn)量。產(chǎn)品質量和產(chǎn)量。 （4）動態(tài)響應好）動態(tài)響應好 由于交流電機轉動慣量大大減少，并且交流變頻同步電機沒由于交流電機轉動慣量大大減少，并且交流變頻同步電機沒有換向火花對過載能力的限制，電機可以具有更大的動態(tài)加有換向火花對過載能力的限制，電機可以具有更大的動態(tài)加速電流。因此，交流電機較直流電機有更好的動態(tài)響應特性。速電流。因此，交流電機較直流電機有更好的動態(tài)響應特性?，F(xiàn)代熱軋和冷軋機都采用了軋板精度和板形自動控制，

49、現(xiàn)代熱軋和冷軋機都采用了軋板精度和板形自動控制，運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 要求軋機傳動的速度控制系統(tǒng)響應達到要求軋機傳動的速度控制系統(tǒng)響應達到60rad/s，而直流電機，而直流電機由于換向火花限制了電機電流變化率由于換向火花限制了電機電流變化率di/dt，使速度響應僅能，使速度響應僅能達到達到15rad/s。表。表1列出了當前交流調速與直流調速的技術性列出了當前交流調速與直流調速的技術性能比較。能比較。表表 1 交流調速系統(tǒng)與直流調速系統(tǒng)的技術性能比較交流調速系統(tǒng)與直流調速系統(tǒng)的技術性能比較 直流調速直流調速 交流調速交流調速電機電壓電機電壓 1200V 15006000V功率

50、因數(shù)功率因數(shù) 0.7 0.61.0變換器效率變換器效率 0.98 0.960.97調速范圍調速范圍 0.1%100% 0100%調速精度調速精度 0.01% 0.01%速度響應速度響應 1530 rad/s 40100 rad/s運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 （5）維護簡單化）維護簡單化 由于交流電機無須換向器，所以維護量大大減少。某厚板軋由于交流電機無須換向器，所以維護量大大減少。某厚板軋機直流主傳動年維修工作量機直流主傳動年維修工作量145h，而采用交流傳動后只需，而采用交流傳動后只需36h，僅為直流傳動的僅為直流傳動的1/4。 （6）節(jié)約能源）節(jié)約能源 交流同步電機的效率比直

51、流電機提高交流同步電機的效率比直流電機提高2%3%。以某鋼廠。以某鋼廠1150初軋機改造為例，原直流傳動初軋機改造為例，原直流傳動24500kW，功率消耗，功率消耗2343 kW，消耗冷卻水，消耗冷卻水2110m3/h；而采用交流傳動后，電機容；而采用交流傳動后，電機容量增大到量增大到25000kW，功率消耗僅為，功率消耗僅為2186.7kW，減少功率，減少功率損耗損耗46%，冷卻水消耗為，冷卻水消耗為259m3/h，僅為原直流電機的，僅為原直流電機的54%。采用交流傳動后，每噸鋼電耗節(jié)約。采用交流傳動后，每噸鋼電耗節(jié)約15%以上，而產(chǎn)量以上，而產(chǎn)量則提高則提高30%以上。以上。運動控制系統(tǒng)專

52、題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.5.3 同步電機和異步電機調速系統(tǒng)的比較同步電機和異步電機調速系統(tǒng)的比較 交流調速可以采用同步電機也可以采用異步電機。交流調速可以采用同步電機也可以采用異步電機。同步電機與異步電機各有其特點，近同步電機與異步電機各有其特點，近20年來，世年來，世界各國電氣公司和學術界對此爭論不休，但進入界各國電氣公司和學術界對此爭論不休，但進入20世紀世紀90年代后，對于大容量交流電機調速，世年代后，對于大容量交流電機調速，世界各國已基本趨于同步電機。表界各國已基本趨于同步電機。表2列出了同步電機列出了同步電機與異步電機有關數(shù)據(jù)的比較。與異步電機有關數(shù)據(jù)的比較。運動控制系統(tǒng)專題

53、講座運動控制系統(tǒng)專題講座 表表2 同步電機調速系統(tǒng)與異步電機調速系統(tǒng)的比較同步電機調速系統(tǒng)與異步電機調速系統(tǒng)的比較 異步電機異步電機IM 同步電機同步電機SM額定功率額定功率PN/ kW 6000 6000轉速轉速n / ( r/ min ) 60/120 60/120電機功率因數(shù)電機功率因數(shù) cos 0.89 1.0效率效率 0.939 0.955相對轉動慣量相對轉動慣量 134% 100%相對定子重量相對定子重量 116% 100%相對轉子重量相對轉子重量 109% 100%磁通變化時間常數(shù)磁通變化時間常數(shù)/ ms 3.05 0.355相對變頻器容量相對變頻器容量 354% 258%相對激

54、磁功率相對激磁功率 0 10%電網(wǎng)輸入功率因數(shù)電網(wǎng)輸入功率因數(shù) 0.67 0.85運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 （1）可靠性與維護量）可靠性與維護量 異步電機的轉子結構非常簡單，它沒有滑環(huán)和激磁繞組，因異步電機的轉子結構非常簡單，它沒有滑環(huán)和激磁繞組，因此，對于籠形異步電機的維護只限于軸承。而同步電機則在此，對于籠形異步電機的維護只限于軸承。而同步電機則在其滑環(huán)上有少量的維護量，但與直流電機換向器相比，它的其滑環(huán)上有少量的維護量，但與直流電機換向器相比，它的維護量要少得多。維護量要少得多。 現(xiàn)代同步電機電刷的壽命在現(xiàn)代同步電機電刷的壽命在1.5 萬小時左右萬小時左右。尤其是近年來軋

55、。尤其是近年來軋機主傳動普遍采用隱極式同步電機，其轉子堅固性與籠形異機主傳動普遍采用隱極式同步電機，其轉子堅固性與籠形異步電機相近。因此，同步電機的維護量與異步電機基本相同。步電機相近。因此，同步電機的維護量與異步電機基本相同。 （2）功率因數(shù)）功率因數(shù) 同步電機由于獨立的轉子激磁調節(jié)控制，可使其定子功率因同步電機由于獨立的轉子激磁調節(jié)控制，可使其定子功率因數(shù)保持為數(shù)保持為1，即，即cos=1。而異步電機則完全不同，電機的激。而異步電機則完全不同，電機的激磁功率必須通過定子側獲得，因此，定子電流始終是滯后的磁功率必須通過定子側獲得，因此，定子電流始終是滯后的運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題

56、講座 其功率因數(shù)一般在其功率因數(shù)一般在0.8左右左右。為了改善電機的功率因數(shù)，可以。為了改善電機的功率因數(shù)，可以降低電機的磁通密度，但受到了電機的材料設計限制；另一降低電機的磁通密度，但受到了電機的材料設計限制；另一種提高功率因數(shù)的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的種提高功率因數(shù)的方法是降低漏抗，但這樣又增加了電流的諧波，因而又會進一步惡化功率因數(shù)。顯然，異步電機功率諧波，因而又會進一步惡化功率因數(shù)。顯然，異步電機功率因數(shù)低是一個很難克服的缺陷。因數(shù)低是一個很難克服的缺陷。 （3）變頻器容量）變頻器容量 由于異步電機的激磁能量是從定子側供給的，同時異步電機由于異步電機的激磁能量是從定子側供給

57、的，同時異步電機功率因數(shù)低于同步電機，視在功率高于同步電機，故異步電功率因數(shù)低于同步電機，視在功率高于同步電機，故異步電機調速系統(tǒng)的變換器容量比同步電機的大機調速系統(tǒng)的變換器容量比同步電機的大30%左右。左右。 （4）電機尺寸和轉動慣量）電機尺寸和轉動慣量 由于異步電機的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，由于異步電機的定子電流由磁化電流和有功電流兩部分組成，因此，異步電機的定子必須具有較大的視在功率。因此，異步電機的定子必須具有較大的視在功率。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 為了提高其功率因數(shù)，異步電機盡可能將電機氣隙減少，但為了提高其功率因數(shù)，異步電機盡可能將電機氣隙減少，但

58、減少氣隙要求電機制造工藝具有更高的加工精度，而細長結減少氣隙要求電機制造工藝具有更高的加工精度，而細長結構的撓度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調速異步電機構的撓度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調速異步電機的設計和制作更加困難。所以，的設計和制作更加困難。所以，異步電機常常設計成較大的異步電機常常設計成較大的定子和轉子鐵心直徑，電機結構短粗定子和轉子鐵心直徑，電機結構短粗。由于同步電機激磁從。由于同步電機激磁從轉子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，同步電機可以轉子提供，其氣隙可以較大，制造相對容易，同步電機可以設計成細長結構，且長度和直徑之比可以優(yōu)化設計。設計成細長結構，且長度和直徑之比可

59、以優(yōu)化設計。 （5）控制精度）控制精度 在異步電機的磁場定向控制系統(tǒng)中，磁通控制取決于轉子電在異步電機的磁場定向控制系統(tǒng)中，磁通控制取決于轉子電阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化。為了消除這一影響，必須進。為了消除這一影響，必須進行轉子參數(shù)辨識控制，該課題一直是國內外學者科研攻關的行轉子參數(shù)辨識控制，該課題一直是國內外學者科研攻關的難題。而難題。而同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫同步電機激磁電流是單獨控制的，電機磁通不隨溫度變化，故轉矩控制精度高度變化，故轉矩控制精度高。運動控制系統(tǒng)專題講座運動控制系統(tǒng)專題講座 1.5.4 大功率電力電子變換器大功率電力電子變換器

60、 現(xiàn)代電機調速技術的基礎是電力電子技術。電力電子元器件現(xiàn)代電機調速技術的基礎是電力電子技術。電力電子元器件正向著大功率、高電壓、集成化、智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的正向著大功率、高電壓、集成化、智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)的晶閘管元件正逐步讓位于新型可關斷電力半導體器件；近幾晶閘管元件正逐步讓位于新型可關斷電力半導體器件；近幾年出現(xiàn)的年出現(xiàn)的集成門極換向晶閘管（集成門極換向晶閘管（IGCT）達到）達到6kA/6kV，已取，已取代了門極可關斷晶閘管（代了門極可關斷晶閘管（GTO）成為大功率高壓變頻器的主）成為大功率高壓變頻器的主流器件；場控器件絕緣柵雙極晶體管（流器件；場控器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在中