運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)專(zhuān)題講座

重點(diǎn)介紹運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成及發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢(shì)概況，包括5節(jié)內(nèi)容。1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律1.4生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性1.5同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)電力拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能之間的能量變換，而電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)——運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)電壓、電流、頻率等輸入量，來(lái)改變工作機(jī)械的轉(zhuǎn)矩、速度、位移等機(jī)械量，使各種機(jī)械按人們期望的要求運(yùn)行，以滿足生產(chǎn)工藝及其他應(yīng)用的需要?，F(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)以各類(lèi)電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以計(jì)算機(jī)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(qiáng)電的紐帶，以自動(dòng)控制理論和信息處理理論為理論基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）為研究和開(kāi)發(fā)的工具。由此可見(jiàn)，現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)已成為電機(jī)學(xué)、電力電子學(xué)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、控制理論、信號(hào)檢測(cè)與處理技術(shù)等多門(mén)學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科。圖1-1運(yùn)動(dòng)控制及其相關(guān)學(xué)科1.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)、功率放大與變換裝置、控制器及相應(yīng)的傳感器等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。圖1-2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及其組成1.1.1電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)根據(jù)工作原理可分為直流電動(dòng)機(jī)、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（交流異步電動(dòng)機(jī)）和交流同步電動(dòng)機(jī)等，根據(jù)用途可分為用于調(diào)速系統(tǒng)的拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，電刷和換向器限制了它的轉(zhuǎn)速與容量。極限容量和速度之積約為，交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，無(wú)須機(jī)械換向器，因此其允許轉(zhuǎn)速與容量均大于直流電動(dòng)機(jī)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，機(jī)械特性硬，功率因數(shù)可調(diào)。但在恒頻電源供電時(shí)調(diào)速較為困難，變頻器的誕生不僅解決了同步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，還解決了其起動(dòng)和失步問(wèn)題，有效地促進(jìn)了同步電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1.1.2功率放大與變換裝置功率放大與變換裝置有電機(jī)型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電子型的。電力電子器件經(jīng)歷了由半控型向全控型、由低頻開(kāi)關(guān)向高頻開(kāi)關(guān)、由分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展的過(guò)程。電力電子技術(shù)的發(fā)展，使功率放大與變換裝置的結(jié)構(gòu)趨于簡(jiǎn)單、性能趨于完善。晶閘管（SCR）是第一代電力電子器件的典型代表，屬于半控型器件，通過(guò)門(mén)極只能使晶閘管開(kāi)通，而無(wú)法使它關(guān)斷。該類(lèi)器件可方便地應(yīng)用于相控整流器（AC→DC）和有源逆變器（DC→AC），但用于無(wú)源逆變（DC→AC）或直流PWM（脈寬調(diào)制）方式調(diào)壓（DC→DC）時(shí)，必須增加強(qiáng)迫換流回路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜。第二代電力電子器件是全控型器件，通過(guò)門(mén)極既可以使器件開(kāi)通，也可以使它關(guān)斷，例如MOSFET、IGBT、GTO等。此類(lèi)器件用于無(wú)源逆變（DC→AC）和直流調(diào)壓（DC→DC）時(shí)，無(wú)須強(qiáng)迫換流回路，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。第二代電力電子器件的另一個(gè)特點(diǎn)是可以大大提高開(kāi)關(guān)頻率，用PWM技術(shù)控制功率器件的開(kāi)通與關(guān)斷，可大大提高可控電源的質(zhì)量。第三代電力電子器件的特點(diǎn)是由單一的器件發(fā)展為具有驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等功能的復(fù)合功率模塊，提高了使用的安全性和可靠性。1.1.3控制器控制器分模擬控制器和數(shù)字控制器兩類(lèi)，也有模數(shù)混合的控制器，現(xiàn)在已越來(lái)越多地采用數(shù)字控制器。模擬控制器常用運(yùn)算放大器及相應(yīng)的電氣元件實(shí)現(xiàn)，具有物理概念清晰、控制信號(hào)流向直觀等優(yōu)點(diǎn)，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(fù)雜、通用性差、控制效果受到器件性能、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(biāo)準(zhǔn)程度高、制作成本低，而且沒(méi)有器件的溫度漂移的問(wèn)題?？刂埔?guī)律體現(xiàn)在軟件上，修改起來(lái)靈活方便。此外，還擁有信息儲(chǔ)存、數(shù)據(jù)通信和故障診斷等模擬控制器難以實(shí)現(xiàn)的功能。然而，模擬控制器的所有運(yùn)算能在同一時(shí)刻并行運(yùn)行，控制器的滯后時(shí)間很小，可以忽略不計(jì)；而一般的微處理器在任何時(shí)刻只能執(zhí)行一條指令，屬于串行運(yùn)行方式，其滯后時(shí)間比模擬控制器大得多，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)予以考慮。1.1.4信號(hào)檢測(cè)與處理運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常需要電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號(hào)，為了真實(shí)可靠地得到這些信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)功率電路（強(qiáng)電）和控制器（弱電）之間的電氣隔離，需要相應(yīng)的傳感器。電壓、電流傳感器的輸出信號(hào)多為連續(xù)的模擬量，而轉(zhuǎn)速和位置傳感器的輸出信號(hào)因傳感器的類(lèi)型而異，可以是連續(xù)的模擬量，也可以是離散的數(shù)字量。由于控制系統(tǒng)對(duì)反饋通道上的擾動(dòng)無(wú)抑制能力，所以，信號(hào)傳感器必須有足夠高的精度，才能保證控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理包括電壓匹配、極性轉(zhuǎn)換、脈沖整形等，對(duì)于計(jì)算機(jī)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(hào)變換為可用于計(jì)算機(jī)運(yùn)算的數(shù)字量。數(shù)據(jù)處理的另一個(gè)重要作用是去偽存真，即從帶有隨機(jī)擾動(dòng)的信號(hào)中篩選出反映被測(cè)量的真實(shí)信號(hào)，去掉隨機(jī)的擾動(dòng)信號(hào)，以滿足控制系統(tǒng)的需要。常用的數(shù)據(jù)處理方法是信號(hào)濾波，模擬控制系統(tǒng)常采用模擬器件構(gòu)成的濾波電路，而計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)往往采用模擬濾波電路和計(jì)算機(jī)軟件數(shù)字濾波相結(jié)合的方法。1.2運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的歷史與發(fā)展直流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)與交流電動(dòng)機(jī)電力拖動(dòng)在19世紀(jì)中葉先后誕生（1866年德國(guó)人西門(mén)子制成了自激式的直流發(fā)電機(jī)；1890年美國(guó)西屋電氣公司利用尼古拉·特斯拉的專(zhuān)利研制出第一臺(tái)交流同步電機(jī)；1898年第一臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)誕生），在20世紀(jì)前半葉，約占整個(gè)電力拖動(dòng)容量80%的不可調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)采用交流電動(dòng)機(jī)，只有20%的高性能可調(diào)速拖動(dòng)系統(tǒng)采用直流電動(dòng)機(jī)。20世紀(jì)后半葉，電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)帶動(dòng)了帶動(dòng)了新一代的交流調(diào)速系統(tǒng)的興起與發(fā)展，逐步打破了直流調(diào)速系統(tǒng)一統(tǒng)高性能拖動(dòng)天下的格局。進(jìn)入21世紀(jì)后，用交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流調(diào)速系統(tǒng)已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)矩易于控制。其換向器與電刷的位置保證了電樞電流與勵(lì)磁電流的解耦。1960年以來(lái)，晶閘管整流器的應(yīng)用，使得直流拖動(dòng)控制技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，對(duì)直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)也有了一套實(shí)用的工程設(shè)計(jì)方法。交流電動(dòng)機(jī)（尤其是籠型異步電動(dòng)機(jī)）具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型具有非線性多變量強(qiáng)耦合的性質(zhì)，比直流電動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多。早期交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法是基于交流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的，其動(dòng)態(tài)性能無(wú)法與直流調(diào)速系統(tǒng)相比。20世紀(jì)70年代德國(guó)工程師F·Blaschke和W·Fl?ter等人提出“感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理”，P.C.Custman和A.A.Clark提出“定子電壓坐標(biāo)變換控制”，這都是矢量控制的基本設(shè)想。1980年日本難波江章教授等人提出轉(zhuǎn)差型矢量控制，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1980年，德國(guó)W.Leonhard教授等用微機(jī)實(shí)現(xiàn)矢量控制系統(tǒng)的數(shù)字化，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和完善，形成現(xiàn)在通用的高性能矢量控制系統(tǒng)。1985年，德國(guó)魯爾大學(xué)Depenbrock教授提出直接轉(zhuǎn)矩控制，1987年把它推廣到弱磁調(diào)速范圍，其控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是一種高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的交流迢速系統(tǒng)。同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率嚴(yán)格保持同步，機(jī)械特性硬。電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)，就是可以控制勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)它的功率因數(shù)，使功率因數(shù)達(dá)到1.0，甚至產(chǎn)生超前的功率因數(shù)角。但同步電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)直接供電時(shí)，存在起動(dòng)困難與失步問(wèn)題。電力電子變頻技術(shù)的發(fā)展，成功地解決了阻礙同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速發(fā)展的這兩大問(wèn)題，而永磁同步電動(dòng)機(jī)和直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)等新型同步電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，猶如猛虎添翼，使同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速得到飛速的發(fā)展。高性能的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，但速度傳感器的機(jī)械安裝要求高，調(diào)試工作量大，有時(shí)由于場(chǎng)地及空間的限制，根本不允許安裝速度傳感器，無(wú)速度傳感器控制的調(diào)速系統(tǒng)正好能彌補(bǔ)這些不足。無(wú)速度傳感器控制的基本方法是實(shí)時(shí)檢測(cè)定子電壓和電流，再依據(jù)電動(dòng)機(jī)模型或合適的算法對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算，用估算的值進(jìn)行反饋控制。但這種方法受電機(jī)參數(shù)影響大，對(duì)測(cè)量噪聲敏感。如何提高轉(zhuǎn)速估算精度，是進(jìn)一步發(fā)展無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。近年來(lái)，模糊控制、專(zhuān)家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，使運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)向智能化的方向發(fā)展。在現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，常使智能控制與傳統(tǒng)PI控制互相結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，既保證了系統(tǒng)的控制精度，又增加了系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)、自調(diào)整及決策能力，提高了系統(tǒng)的魯棒性。1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式為：式中J——機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ωm——

轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（rad/s)；

θm——

轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)角（rad）；

Te——

電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

TL——

負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N·m）；

D——阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；

K——扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

若忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式可簡(jiǎn)化為：若采用工程單位制，則式（1-2）的第1行應(yīng)改寫(xiě)為：式中——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，習(xí)慣稱飛輪力矩

n——轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速（r/min），運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，對(duì)于直線電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)就是控制速度和位移。由式（1-1）和式（1-2）可知，要控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，唯一的途徑就是控制電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te，使轉(zhuǎn)速變化率按人們期望的規(guī)律變化。因此，轉(zhuǎn)矩控制是運(yùn)動(dòng)控制的根本問(wèn)題。為了有效地控制電磁轉(zhuǎn)矩，充分利用電機(jī)鐵心，在一定的電流作用下進(jìn)可能產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，以加快系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程，必須在控制轉(zhuǎn)矩的同時(shí)也控制磁通（或磁鏈）。因?yàn)楫?dāng)磁通（或磁鏈）很小時(shí)，即使電樞電流（或交流電機(jī)定子電流的轉(zhuǎn)矩分量）很大，實(shí)際轉(zhuǎn)矩仍然很小。何況由于物理?xiàng)l件限制，電樞電流（或定子電流）總是有限的。因此，磁鏈控制與轉(zhuǎn)矩控制同樣重要，不可偏廢。通常在基速（額定轉(zhuǎn)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。1.4生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)而言，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)必然存在的不可控?cái)_動(dòng)輸入，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性直接影響運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制方案的選擇和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。為了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作全面的了解，便于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試，常歸納出幾種典型的生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性。1.4.1恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的大小恒定，與ωm或n無(wú)關(guān)，稱做恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，

TL=常數(shù)（1-4）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載有位能性和反抗性兩種。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載由重力產(chǎn)生，具有固定的大小和方向，如圖1-3a所示。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的大小不變，方向則始終與轉(zhuǎn)速反向，如圖1-3b。圖1-3恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性a)位能性恒轉(zhuǎn)矩b）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載1.4.2恒功率負(fù)載恒功率負(fù)載的特征是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，而功率為常數(shù)，即或式中PL——機(jī)械功率。橫功率負(fù)載的特性如圖1-4所示。圖1-4恒功率負(fù)載特性1.4.3風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性如圖1-5所示以上所述的各類(lèi)負(fù)載是從各種實(shí)際負(fù)載中概括出來(lái)的典型負(fù)載形式，實(shí)際負(fù)載可能是多個(gè)典型負(fù)載的組合，應(yīng)根據(jù)實(shí)際負(fù)載的具體情況加以分析。圖1-5風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)負(fù)載特性1.5同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

1890年美國(guó)西屋電氣公司利用尼古拉·特斯拉的專(zhuān)利研制出第一臺(tái)同步電機(jī)，此后的100多年，交流同步電機(jī)以其效率高、功率因數(shù)高且可以調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械傳動(dòng)，特別是大功率傳動(dòng)中廣泛應(yīng)用。

同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由定子電流頻率和電機(jī)極對(duì)數(shù)決定的，同步電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)固定頻率供電條件下做恒速運(yùn)行，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子將以定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速同步旋轉(zhuǎn)，故稱為同步電機(jī)。傳統(tǒng)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組采用直流激磁，在同步電機(jī)恒速運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子激磁電流即可調(diào)節(jié)同步電機(jī)的功率因數(shù)，功率因數(shù)可超前或滯后，也可以等于1。傳統(tǒng)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速是恒定不可調(diào)的，只用于拖動(dòng)恒速負(fù)載及改善功率因數(shù)的場(chǎng)合。在恒定頻率下運(yùn)行的大型同步電機(jī)存在著起動(dòng)困難、運(yùn)行過(guò)程易發(fā)生失步和振蕩的問(wèn)題，很難想象對(duì)同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。交流傳動(dòng)分為同步電機(jī)傳動(dòng)和異步電機(jī)傳動(dòng)。交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制大多是通過(guò)變化頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。同步電機(jī)比異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的功率因數(shù)高、變頻器容量小、電機(jī)效率高且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，在大功率傳動(dòng)中同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速優(yōu)勢(shì)明顯。從20世紀(jì)30年代的后期，人們就開(kāi)始研究同步電機(jī)的調(diào)速問(wèn)題。通過(guò)檢測(cè)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的位置，，以適當(dāng)?shù)捻樞蚺c電機(jī)繞組相連的閘流管導(dǎo)通，代替直流電機(jī)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(jī)，也稱為無(wú)換向器電機(jī)。自從晶閘管等電力電子器件發(fā)明后，同步電機(jī)變頻調(diào)速控制才有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。1969年BBC公司研制成功世界上第一臺(tái)6400kW交交變頻同步電機(jī)傳動(dòng)裝置，用于法國(guó)倫伯爾基水泥廠水泥球磨機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速傳動(dòng)。20世紀(jì)70年代，隨著交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制理論的產(chǎn)生及其技術(shù)的推廣應(yīng)用，世界各大電氣公司都投入大量人力、物力對(duì)交流同步電機(jī)變頻調(diào)速傳動(dòng)進(jìn)行研究，期望這一技術(shù)應(yīng)用于高性能要求的軋機(jī)主傳動(dòng)及礦井提升機(jī)傳動(dòng)。1981年西門(mén)子公司研制成功世界上第一臺(tái)4220kW交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，用于礦井提升機(jī)傳動(dòng)，同年該公司又研制成功第一臺(tái)4000kW軋機(jī)傳動(dòng)交交變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使大容量交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)登上了高性能調(diào)速的舞臺(tái)，標(biāo)志著這一技術(shù)的成熟。迄今為止，世界上已有上千套軋機(jī)及礦井提升機(jī)傳動(dòng)采用了交流變頻同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。此外，負(fù)載換流交直交變頻器廣泛用于高爐鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)以及抽水蓄能電站的大型同步電機(jī)變頻起動(dòng)，并應(yīng)用于長(zhǎng)距離油氣輸送大功率高速壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)。隨著永磁同步電機(jī)、直線同步電機(jī)等新型電機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，大功率永磁同步電機(jī)變頻調(diào)速已成功應(yīng)用于大型艦船電力推進(jìn)，永磁同步電機(jī)的功率已超過(guò)10MW；高速磁懸浮列車(chē)已進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段，由大功率交直交變頻器供電的同步電機(jī)牽引著的磁懸浮列車(chē)達(dá)到500km/h的速度。交流同步電機(jī)調(diào)速正在發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。1.5.1交流同步電機(jī)的類(lèi)型交流同步電機(jī)真有以下幾種類(lèi)型：（1）轉(zhuǎn)子直流激磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子直流激磁同步電機(jī)與傳統(tǒng)同步電機(jī)相同，是交流同步電機(jī)最常見(jiàn)的類(lèi)型。轉(zhuǎn)子直流激磁電流可由電力電子激磁裝置通過(guò)集電環(huán)和電刷送到繞組中，也可以采用無(wú)刷激磁的方式，即在同步電機(jī)軸上安裝一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)作為激磁電源，感應(yīng)的交流電經(jīng)過(guò)固定在軸上的整流器變換成直流電供給同步電機(jī)的激磁繞組。激磁電流的調(diào)節(jié)可以通過(guò)控制交流激磁發(fā)電機(jī)的定子磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。（2）永磁同步電機(jī)永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)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(jī)的體積和重量大為減小，而且永磁同步電機(jī)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠。（3）磁阻同步電機(jī)磁阻同步電機(jī)是由反應(yīng)式同步電機(jī)發(fā)展而來(lái)的,它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)模式,定轉(zhuǎn)子采用雙凸結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子上沒(méi)有繞組,定子為集中繞組,比異步電機(jī)更簡(jiǎn)單、堅(jiān)固。目前已有開(kāi)關(guān)磁組電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)品，但單機(jī)容量還不夠大。（4）直線同步電機(jī)直線同步電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能、不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。它是20世紀(jì)下半葉電工領(lǐng)域出現(xiàn)的一項(xiàng)高新技術(shù)。直線同步電機(jī)具有高速、大推力的特點(diǎn)，適合在軍事、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)輸送線等領(lǐng)域做各種橫向或垂直運(yùn)動(dòng)的電氣傳動(dòng)。1.5.2交流同步電機(jī)與直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的比較交流電機(jī)與直流電機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：（1）單機(jī)容量不受限制眾所周知,直流電機(jī)由于換向器的換向能力限制了電機(jī)的容量和速度,直流電機(jī)的極限容量和速度之積約為例如,熱連軋機(jī)主傳動(dòng)直流電機(jī)功率2×5MW（250/590（r/min））已達(dá)到極限值。而交流電機(jī)單機(jī)容量可以突破這一限制，例如，容量和速度之積達(dá)到10MW（150/450（r/min）），，為設(shè)備提供更大的動(dòng)力。實(shí)際上交流電機(jī)可以充分利用電力電子器件的能力來(lái)提高供電電壓，采用先進(jìn)的電機(jī)冷卻方式，變頻調(diào)速同步電機(jī)的單機(jī)容量已可以達(dá)到56MW。（2）體積小、重量輕、占地面積小由于交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕，占地面積比直流電機(jī)大大減少。而支流電機(jī)不僅單機(jī)體積大，而且為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)替代了原三電樞直流電機(jī)，電機(jī)功率同為11250kW，但交流電機(jī)僅用了原直流電

機(jī)1/3的占地面積。交流電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固，因此有可能與機(jī)械合為一體，形成機(jī)電一體化產(chǎn)品，大大簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，減少體積和重量，提高可靠性。例如，傳統(tǒng)的水泥球磨機(jī)采用齒輪傳動(dòng)，采用交交變頻同步電機(jī)可以取消齒輪直接傳動(dòng)，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子與球磨機(jī)滾筒連為一體，實(shí)現(xiàn)高效率的無(wú)齒輪水泥球磨機(jī)傳動(dòng)。礦井提升機(jī)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，電機(jī)外轉(zhuǎn)子直接繞鋼絲繩，使電機(jī)與卷筒合為一體。軋鋼地下卷取機(jī)傳動(dòng)交流同步電機(jī)，將軋鋼地下卷取芯棒作為同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，減少了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、體積和重量，提高了可靠性。（3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小以某鋼廠2050m熱連軋機(jī)為例，直流主傳動(dòng)電機(jī)2×4500kW（250/578（r/min））雙電樞傳動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為76.8t·m＾2

而主傳動(dòng)交流同步電機(jī)9000kW（250/578（r/min））單電樞傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為17.2t·m＾2，減少為直流電機(jī)的1/4.5使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的速度響應(yīng)時(shí)間由120ms縮短到70ms，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。（4）動(dòng)態(tài)響應(yīng)好由于交流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大大減少，并且交流變頻同步電機(jī)沒(méi)有換向火花對(duì)過(guò)載能力的限制，電機(jī)可以具有更大的動(dòng)態(tài)加速電流。因此，交流電機(jī)較直流電機(jī)有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性?，F(xiàn)代熱軋和冷軋機(jī)都采用了軋板精度和板形自動(dòng)控制，要求軋機(jī)傳動(dòng)的速度控制系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到60rad/s，而直流電機(jī)由于換向火花限制了電機(jī)電流變化率di/dt，使速度響應(yīng)僅能達(dá)到15rad/s。表1列出了當(dāng)前交流調(diào)速與直流調(diào)速的技術(shù)性能比較。表

1交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)性能比較

直流調(diào)速

交流調(diào)速電機(jī)電壓

1200V1500~6000V功率因數(shù)

0.70.6~1.0變換器效率

0.980.96~0.97調(diào)速范圍

0.1%~100%0~100%調(diào)速精度

±0.01%±0.01%速度響應(yīng)

15~30rad/s40~100rad/s（5）維護(hù)簡(jiǎn)單化由于交流電機(jī)無(wú)須換向器，所以維護(hù)量大大減少。某厚板軋機(jī)直流主傳動(dòng)年維修工作量145h，而采用交流傳動(dòng)后只需36h，僅為直流傳動(dòng)的1/4。（6）節(jié)約能源交流同步電機(jī)的效率比直流電機(jī)提高2%~3%。以某鋼廠1150初軋機(jī)改造為例，原直流傳動(dòng)2×4500kW，功率消耗2×343kW，消耗冷卻水2×110m＾3/h；而采用交流傳動(dòng)后，電機(jī)容量增大到2×5000kW，功率消耗僅為2×186.7kW，減少功率損耗46%，冷卻水消耗為2×59m＾3/h，僅為原直流電機(jī)的54%。采用交流傳動(dòng)后，每噸鋼電耗節(jié)約15%以上，而產(chǎn)量則提高30%以上。1.5.3同步電機(jī)和異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的比較交流調(diào)速可以采用同步電機(jī)也可以采用異步電機(jī)。同步電機(jī)與異步電機(jī)各有其特點(diǎn)，近20年來(lái)，世界各國(guó)電氣公司和學(xué)術(shù)界對(duì)此爭(zhēng)論不休，但進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，對(duì)于大容量交流電機(jī)調(diào)速，世界各國(guó)已基本趨于同步電機(jī)。表2列出了同步電機(jī)與異步電機(jī)有關(guān)數(shù)據(jù)的比較。表2同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)與異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的比較

異步電機(jī)IM同步電機(jī)SM額定功率PN/kW60006000轉(zhuǎn)速n/(r/min)60/12060/120電機(jī)功率因數(shù)

cosφ0.891.0效率

η0.9390.955相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

134%100%相對(duì)定子重量

116%100%相對(duì)轉(zhuǎn)子重量

109%100%磁通變化時(shí)間常數(shù)/ms3.050.355相對(duì)變頻器容量

354%258%相對(duì)激磁功率

010%電網(wǎng)輸入功率因數(shù)

0.670.85（1）可靠性與維護(hù)量異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，它沒(méi)有滑環(huán)和激磁繞組，因此，對(duì)于籠形異步電機(jī)的維護(hù)只限于軸承。而同步電機(jī)則在其滑環(huán)上有少量的維護(hù)量，但與直流電機(jī)換向器相比，它的維護(hù)量要少得多。現(xiàn)代同步電機(jī)電刷的壽命在1.5萬(wàn)小時(shí)左右。尤其是近年來(lái)軋機(jī)主傳動(dòng)普遍采用隱極式同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子堅(jiān)固性與籠形異步電機(jī)相近。因此，同步電機(jī)的維護(hù)量與異步電機(jī)基本相同。（2）功率因數(shù)同步電機(jī)由于獨(dú)立的轉(zhuǎn)子激磁調(diào)節(jié)控制，可使其定子功率因數(shù)保持為1，即cosφ=1。而異步電機(jī)則完全不同，電機(jī)的激磁功率必須通過(guò)定子側(cè)獲得，因此，定子電流始終是滯后的其功率因數(shù)一般在0.8左右。為了改善電機(jī)的功率因數(shù)，可以降低電機(jī)的磁通密度，但受到了電機(jī)的材料設(shè)計(jì)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諧波，因而又會(huì)進(jìn)一步惡化功率因數(shù)。顯然，異步電機(jī)功率因數(shù)低是一個(gè)很難克服的缺陷。（3）變頻器容量由于異步電機(jī)的激磁能量是從定子側(cè)供給的，同時(shí)異步電機(jī)功率因數(shù)低于同步電機(jī)，視在功率高于同步電機(jī)，故異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的變換器容量比同步電機(jī)的大30%左右。（4）電機(jī)尺寸和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于異步電機(jī)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(jī)的定子必須具有較大的視在功率。為了提高其功率因數(shù)，異步電機(jī)盡可能將電機(jī)氣隙減少，但減少氣隙要求電機(jī)制造工藝具有更高的加工精度，而細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的撓度也限制了氣隙的減少，使大功率變頻調(diào)速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)和制作更加困難。所以，異步電機(jī)常常設(shè)計(jì)成較大的定子和轉(zhuǎn)子鐵心直徑，電機(jī)結(jié)構(gòu)短粗。由于同步電機(jī)激磁從轉(zhuǎn)子提供，其氣隙可以較大，制造相對(duì)容易，同步電機(jī)可以設(shè)計(jì)成細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，且長(zhǎng)度和直徑之比可以優(yōu)化設(shè)計(jì)。（5）控制精度在異步電機(jī)的磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)中，磁通控制取決于轉(zhuǎn)子電阻參數(shù)，而該電阻隨溫度變化。為了消除這一影響，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)子參數(shù)辨識(shí)控制，該課題一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者科研攻關(guān)的難題。而同步電機(jī)激磁電流是單獨(dú)控制的，電機(jī)磁通不隨溫度變化，故轉(zhuǎn)矩控制精度高。1.5.4大功率電力電子變換器現(xiàn)代電機(jī)調(diào)速技術(shù)的基礎(chǔ)是電力電子技術(shù)。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)的晶閘管元件正逐步讓位于新型可關(guān)斷電力半導(dǎo)體器件；近幾年出現(xiàn)的集成門(mén)極換向晶閘管（IGCT）達(dá)到6kA/6kV，已取代了門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）成為大功率高壓變頻器的主流器件；場(chǎng)控器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT）在中小功率交流調(diào)速中普遍使用，1kA/6.5kV的IGBT以及4kA/4.5kV的另一種場(chǎng)控器件——注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管（IEGT）研制成功，并開(kāi)始應(yīng)用于大功率高壓變頻器。此外，將微電子集成電路與電力電子器件組合形成的功率集成電路（PowerIC）、智能功率模塊（IPM）、功率電力電子集成模塊（PEBB）等廣泛應(yīng)用于中小功率變頻調(diào)速。根據(jù)目前國(guó)際電力電子器件的電壓、電流及開(kāi)關(guān)頻率的制造水平，1200~1700V的低壓IGBT多用于1MW以下的變頻器，采用3300V高壓IGBT的變頻器容量在1~3MW，而IGCT/IEGT等高壓大功率器件用于3~10MW的變頻器，晶閘管變頻器則在15MW以上，從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，隨著電力電子器件電壓和電流能力的增加，變頻器容量會(huì)越來(lái)越大。電力電子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步發(fā)展是碳化硅材料電力半導(dǎo)體。當(dāng)前在大功率同步電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域主要應(yīng)用的電力電子變換器為晶閘管交交變頻器、晶閘管負(fù)載換流交直交變頻器、IGBT/IGCT交直交變頻器三大類(lèi)型。（1）交交變頻調(diào)速系統(tǒng)交交變頻調(diào)速系統(tǒng)由三組反并聯(lián)晶閘管可逆橋式變流器組成，具有過(guò)載能力強(qiáng)、效率高、輸出波形好等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著輸出頻率低（最高頻率小于1/2電網(wǎng)頻率）、電網(wǎng)功率因數(shù)低、旁頻諧波影響大等缺點(diǎn)。交交變頻調(diào)速系統(tǒng)分為有環(huán)流和無(wú)環(huán)流方式。交交變頻調(diào)速系統(tǒng)適合于低速運(yùn)轉(zhuǎn)（小于600r/min）、大過(guò)載（Mmax=2~3MN）、負(fù)載劇烈變化、四象限可逆運(yùn)轉(zhuǎn)等場(chǎng)合。主要應(yīng)用于軋機(jī)主傳動(dòng)、礦井提升機(jī)傳動(dòng)及水泥球磨機(jī)傳動(dòng)等。（2）負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)是一種電流型變頻器，由整流器、逆變器及平波電抗器等組成，運(yùn)用同步電機(jī)轉(zhuǎn)子過(guò)激磁的容性無(wú)功功率來(lái)提供晶閘管換流，故稱為負(fù)載換流。變頻器輸出電流的幅值由整流器控制，輸出頻率由逆變器根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極位置檢測(cè)器信號(hào)加以控制，以實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速。由于調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式類(lèi)似于直流電機(jī)，轉(zhuǎn)子磁極檢測(cè)器和逆變器代替了直流電機(jī)的換向器和電刷的功能，故這種電機(jī)系統(tǒng)曾被稱為“無(wú)換向器電機(jī)”或“可控硅電機(jī)”。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出頻率高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大、過(guò)載能力低（一般小于150%）等缺點(diǎn)。負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)主要用于過(guò)載能力不大、高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合。例如，長(zhǎng)距離油氣輸送大功率高速壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)，同步電機(jī)容量20MW，電機(jī)轉(zhuǎn)速高達(dá)6000r/min；大型豪華游輪采用負(fù)載換流交直交變頻同步電機(jī)作為船舶推進(jìn)動(dòng)力，同步電機(jī)容量達(dá)到40MW。負(fù)載換流交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)另一個(gè)主要應(yīng)用是作為大型同步電機(jī)的軟起動(dòng)器，已廣泛應(yīng)用于高爐鼓風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)以及抽水蓄能電站同步電機(jī)的軟起動(dòng)。（3）可關(guān)斷器件交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)20世紀(jì)80年代以來(lái)，打破晶閘管元件一統(tǒng)天下的自關(guān)斷電力電子器件，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO、場(chǎng)控器件絕緣柵雙極晶體管IGBT相繼問(wèn)世，開(kāi)始了一個(gè)以自關(guān)斷電力電子器件為核心的新時(shí)代。與傳統(tǒng)的晶閘管器件相比，采用自關(guān)斷電力電子器件的電氣傳動(dòng)裝置具有節(jié)約原材料、變換器裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、功率因數(shù)高、諧波污染小等顯著優(yōu)點(diǎn)。在大功率高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域，GTO元件曾占主要地位。20世紀(jì)90年代，GTO變頻調(diào)速系統(tǒng)繼在鐵路牽引機(jī)車(chē)上普遍應(yīng)用之后，世界各國(guó)開(kāi)始研制軋機(jī)主傳動(dòng)GTO變頻調(diào)速系統(tǒng)。日本三菱公司率先研制成功6kA/6kV大功率GTO元件，并將7000kW/3kV，GTO交直交同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)成功應(yīng)用于熱連軋機(jī)傳動(dòng)中。GTO交直交變頻調(diào)速系統(tǒng)為電壓型變頻器，電源側(cè)變流器也采用GTO脈寬調(diào)制技術(shù)，控制輸入電流的相角可以達(dá)到功率因數(shù)始終為1，并減少輸入電流的諧波。該變頻器采用三電平GTO元件串聯(lián)控制技術(shù)，使得變頻器輸入和輸出電壓可達(dá)到3300V。與采用晶閘管元件的交交變頻調(diào)速系統(tǒng)相比，GTO變頻器具有輸出頻率不受限制、電網(wǎng)諧波污染小、功率因數(shù)高等顯著優(yōu)點(diǎn)，但也存在著GTO元件開(kāi)關(guān)損耗較大、效率低、需要水冷卻、維護(hù)困難等問(wèn)題，同時(shí)電力電子器件領(lǐng)域一直對(duì)GTO元件看法不一，期待更新型的電力電子器件來(lái)取代它。近幾年，高電壓大功率電力電子器件的研制是世界各國(guó)在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。由瑞士ABB公司（在瑞士蘇黎世）研制成功的集成門(mén)極換向晶閘管IGCT，是在GTO元件基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新的一種新型大功率電力電子器件。它在器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中減少了控制門(mén)極回路電感，將驅(qū)動(dòng)電路集成到器件旁，使得IGCT的開(kāi)關(guān)損耗較GTO減少了一個(gè)數(shù)量級(jí)，提高了開(kāi)關(guān)速度，取消了緩沖吸收電路，大大簡(jiǎn)化了變頻器的結(jié)構(gòu)，并提高了系統(tǒng)效率。ABB、GE、西門(mén)子等公司已研制成功采用4000A/4500VIGCT元件的大功率三電平高壓變頻器用于軋機(jī)主傳動(dòng)。IGCT已成為GTO的換代器件（鐵路牽引傳動(dòng)界認(rèn)為是高壓IGBT）。日本東芝公司研制成功高電壓大功率的IEGT元件，即注入增強(qiáng)型絕緣柵晶體管。IEGT是IGBT的另一種形式，具有IGBT元件電壓驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，采用IEGT元件的大功率三電平變頻器，已應(yīng)用于軋鋼主傳動(dòng)中。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，電力電子變流技術(shù)也在不斷變革。其發(fā)展趨勢(shì)為采用自換流來(lái)取代外換流。由于采用了自關(guān)斷器件，傳統(tǒng)的晶閘管換流技術(shù)將被取代。功率器件的開(kāi)關(guān)將不受電網(wǎng)及電勢(shì)的約束，具有更大的隨意性。變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，裝置體積縮小。傳統(tǒng)的交交變頻與交直交變頻技術(shù)將面臨變革。理想的變流器是采用自關(guān)斷器件將電網(wǎng)固定頻率和電壓的電能，經(jīng)電力電子變流器一次換能，變換為負(fù)載對(duì)象所需的可變頻率和電壓。目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者正在積極研究用自關(guān)斷器件的交交變頻器，也稱為矩陣變換器，期望這一新型變頻器可以突破晶閘管交交變頻器的輸出頻率限制和滯后無(wú)功損害，同時(shí)避免交直交變頻的二次換能損失和中間支流電容及電感儲(chǔ)能的問(wèn)題。電力電子變流技術(shù)的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是脈寬調(diào)制PWM技術(shù)的普遍化。由于可關(guān)斷器件的開(kāi)關(guān)隨意性，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的引入，脈寬調(diào)制PWM技術(shù)開(kāi)始在變流技術(shù)中普遍應(yīng)用。PWM技術(shù)首先在電壓型交直交變頻器上應(yīng)用并普遍推廣。它具有調(diào)壓調(diào)頻一次完成、主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，并改變了晶閘管交直交變頻器低速性能不好的局限。近幾年來(lái)，不少學(xué)者又將PWM技術(shù)推廣到電流型變頻器，使變頻器實(shí)現(xiàn)電氣傳動(dòng)的四象限快速響應(yīng)。PWM技術(shù)運(yùn)用到交交變頻器，突破了交交變頻器僅能在1/3工頻以下運(yùn)行的局限，并可獲得較高的功率因數(shù)。PWM技術(shù)還運(yùn)用到直流調(diào)速，功率因數(shù)不再滯后，甚至超前，并可以任意調(diào)節(jié)。PWM技術(shù)普遍化是變流技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。1.5.5同步電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)從控制方式上可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)為他控式變頻調(diào)速；另一類(lèi)為自控式變頻調(diào)速。他控式變頻調(diào)速系統(tǒng)中所用變頻裝置的輸出頻率直接由外部給定信號(hào)決定，由于存在同步電機(jī)的失步、振蕩等問(wèn)題，所以在實(shí)際的調(diào)速場(chǎng)合很少使用。同步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)一般采用自控式運(yùn)行，即變頻器供電給同步電機(jī)，定子的頻率是由轉(zhuǎn)子位置或磁場(chǎng)位置決定的，并跟隨轉(zhuǎn)子位置的旋轉(zhuǎn)自動(dòng)變化，從某種角度來(lái)看，自控式同步電機(jī)不存在他控式同步電機(jī)的失步問(wèn)題。電機(jī)調(diào)速的控制性能，可以歸結(jié)為主要是對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制。長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域，這是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的電樞電流與磁場(chǎng)相互正交，可以分別控制，具有良好的轉(zhuǎn)矩控制性能。而交流電機(jī)的可控量是輸入交流電壓、電流，其轉(zhuǎn)矩與磁場(chǎng)是復(fù)雜耦合的，不能簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)解耦控制，所以交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制長(zhǎng)期以來(lái)成為電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域的難題。20世紀(jì)30年代以來(lái)，交流電機(jī)理論在同步電機(jī)雙反應(yīng)原理、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換等理論基礎(chǔ)上逐步形成了交流電機(jī)派克方程，而后又由布朗進(jìn)一步建立了電機(jī)的統(tǒng)一理論，從理論上證明了交流電機(jī)與直流電機(jī)的同一性。在這些理論研究成果的基礎(chǔ)上，1971年德國(guó)西門(mén)子公司F.Blaschke等發(fā)表的論文《感應(yīng)電機(jī)磁場(chǎng)定向的控制原理》，和美國(guó)P.C.Custman與A.A.Clark申請(qǐng)的專(zhuān)利《感應(yīng)電機(jī)定子電壓的坐標(biāo)變換控制》，經(jīng)過(guò)各國(guó)學(xué)者和工程師的研究、實(shí)踐和不斷地完善，形成現(xiàn)在普遍應(yīng)用的交流電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)，也稱為矢量控制系統(tǒng)。磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是通過(guò)坐標(biāo)變換（3/2變換、同步旋轉(zhuǎn)變換），把交流電機(jī)在按磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上等效成直流電機(jī)，從而模仿直流電機(jī)進(jìn)行控制，使交流電機(jī)調(diào)速達(dá)到并超過(guò)傳統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速性能。這一原理的基本出發(fā)點(diǎn)是考慮到交流電機(jī)實(shí)際一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性的時(shí)變參數(shù)系統(tǒng)，很難直接通過(guò)外加信號(hào)準(zhǔn)確地控制電磁轉(zhuǎn)矩。仿效直流電機(jī)電流與磁通正交解耦可分別控制的轉(zhuǎn)矩特性，將旋轉(zhuǎn)的電機(jī)磁通作為空間矢量的參考軸，利用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換方法把定子電流變換為轉(zhuǎn)矩電流分量和激磁電流分量，相互正交，可以分別獨(dú)立控制，這種通過(guò)坐標(biāo)變換重構(gòu)的電機(jī)模型就可以等效為直流電機(jī)，從而像直流電機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩與磁通的準(zhǔn)確控制。早在20世紀(jì)60年代，大容量變頻調(diào)速同步電機(jī)已應(yīng)用于水泥窯低速傳動(dòng)。為了充分利用電機(jī)和變頻器的容量，電機(jī)功率因數(shù)應(yīng)控制為1，負(fù)載變化引起的電樞反應(yīng)由激磁電流調(diào)節(jié)來(lái)加以補(bǔ)償。部分學(xué)者把這種同步電機(jī)調(diào)速的控制方式稱為交流同步電機(jī)的標(biāo)量控制。1972年德國(guó)西門(mén)子公司學(xué)者Bayer繼Blaschke異步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理發(fā)表之后，提出同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制原理。同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制仍然沿襲了標(biāo)量控制采用激磁電流調(diào)節(jié)來(lái)補(bǔ)償電樞反應(yīng)，保持cosφ=1的控制思路。該控制原理及構(gòu)成的同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。但是，這種同步電機(jī)磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)存在著動(dòng)態(tài)過(guò)程磁鏈與轉(zhuǎn)矩控制不解耦的缺陷。研究證明，阻尼繞組是抵消動(dòng)態(tài)過(guò)程的電樞反應(yīng)，改善磁鏈與轉(zhuǎn)矩解耦控制的有效手段。因此，阻尼繞組對(duì)于磁場(chǎng)定向控制同步電機(jī)是必不可少的。阻尼繞組加快了定子電流響應(yīng)，維持磁鏈恒定（恒磁鏈控制），產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩來(lái)抑制負(fù)載角振蕩，提高了同步電機(jī)的過(guò)載能力。同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載角不變，電機(jī)轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而同步電機(jī)在負(fù)載變動(dòng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，電機(jī)負(fù)載角變化，同步電機(jī)呈異步狀態(tài)，阻尼繞組產(chǎn)生阻尼電流。但是，同步電機(jī)如何綜合動(dòng)態(tài)異步及穩(wěn)態(tài)同步進(jìn)行控制，動(dòng)態(tài)過(guò)程阻尼電流的變化規(guī)律，阻尼電流能否受控，尚需進(jìn)一步研究。磁場(chǎng)定向控制同步電機(jī)是一個(gè)帶磁鏈旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系狀態(tài)反饋的變系數(shù)模型。同步電機(jī)的磁場(chǎng)定向與磁場(chǎng)控制是兩個(gè)不同的概念。磁場(chǎng)定向是以電機(jī)的某一磁鏈軸線為取向，建立電機(jī)模型的坐標(biāo)系，電機(jī)的電壓、電流、磁鏈等電量都在該坐標(biāo)系中分解、合成，并加以控制。而磁場(chǎng)控制則是以某一磁場(chǎng)幅值和相位為目標(biāo)加以控制，在任意坐標(biāo)系下都可以對(duì)某一磁場(chǎng)加以控制。例如，同步電機(jī)的氣隙磁鏈可以在氣隙磁鏈定向坐標(biāo)系下控制，也可以在轉(zhuǎn)子幾何軸線坐標(biāo)系下加以控制。同步電機(jī)