绪论

0.1　电力传动的发展概况

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0-1所示。

电动机把电能转换成机械动力，用以带动生产机械的某一工作机构。工作机构是生产机械为执行某一任务的机械部分。控制设备是由各种控制电机、电器、自动化元件及工业控制计算机等组成的，用以控制电动机的运动，从而对工作机构的运动实现自动控制。为了向电动机及一些电气控制设备供电，在电力传动系统中必须设有电源。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。

广义而言，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。

考虑到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0-2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真正挑战则是1957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。也正因为如此，在20世纪末，我国在制订新的高等学校本科和研究生专业学科目录的时候，把电力传动和电力电子合并为了一个专业，即电力电子与电力传动专业。

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。

0.2　电力传动的分类和应用

如以上所述，电力传动可以分为直流传动系统和交流传动系统。而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。在工业实际中，调速系统的需求是主要的，因此本书以调速系统为主进行介绍。

下面按直流传动系统和交流传动系统的分类方法，分别介绍两类系统的应用情况。

0.2.1　直流传动系统的应用

在以矢量控制和直接转矩控制为代表的高性能交流调速技术广泛应用之前，直流传动系统在电力传动领域曾经独领风骚。但时过境迁，直流传动系统在很多应用场合已经被现代交流传动系统取代。但在某些领域，直流传动系统仍然得到相当多的应用。这是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。

0.2.2　交流传动系统的应用

相比于直流传动系统，交流传动系统的应用要广泛得多。具体而言，有以下几个方面：

（1）一般工业应用　一般工业中很多生产设备需要调速，比如起重机、传送机以及机械加工设备等，在这些场合交流变频调速系统已经基本取代直流传动系统。除此之外，风机与水泵是交流传动系统的主要应用对象。风机和水泵的用量很大，总用电量约占全国用电量的1/3。风机和水泵的传动控制主要是改变电机的速度以节约电能。在传统上，串级调速系统曾经在风机和水泵类调速系统中占据大量份额，但目前已经基本被变频调速系统所取代。实际上，采用背靠背双PWM变流器的双馈调速系统在性能上不次于变频调速系统，且其电力电子变换器的容量只占系统总容量的1/3，因而在风机和水泵类负载应用中有重要的潜在优势。

（2）交通运输　轨道交通目前几乎全部使用交流传动系统。在牵引传动方面，除了制造和维护成本以外，与直流传动系统相比，交流传动系统还有以下优点：在转向架有限空间内可以设置更大功率的电机，以适应高速和重载的需要；电动机能在静止状态下任意的时间有高的启动力，以利于复杂条件的重载启动；可以在3倍左右的宽速度范围内实现恒功率输出，以适应多种运输要求；黏着系数比直流传动高10倍以上，容易控制列车发挥更大的牵引力。轨道交通中，几乎都采用异步电动机。在现代城市轨道交通中，直线电机交流传动也得到了广泛关注，如北京地铁机场线、广州地铁4号线等，还有上海磁悬浮线路也是直线电机的交流传动。

（3）民用设施和家用电器　在民用设施中，交流传动系统也得到了广泛应用，其中最常见的就是电梯。电梯需要适应频繁启动和制动的要求，且要求噪声小、过载能力强。对电梯的控制要求是安全可靠、平稳舒适、平层准确，另外希望效率高、经济实用、调度运行合理。除电梯外，恒压供水设备也是民用设施中重要的交流传动系统应用场合。

在家用电器中，由于对节能和高效率的要求，交流变频调速系统越来越受到重视，变频空调、变频冰箱、变频洗衣机的市场占有率越来越高。此外，在录像机、DVD机，以及计算机中CPU风扇和各种磁盘、光盘驱动器，大多采用永磁同步电动机传动系统。

（4）特大容量、极高转速的交流传动　在特大容量的场合，直流电动机由于换相问题限制了应用，交流电动机传动系统成为了唯一选择，在矿山机械如矿井卷扬机、球磨机等场合更是如此。而转速极高的传动系统，如高速磨头、离心机等，也都以交流调速为宜。

0.3　本书的主要内容

“电力传动与控制系统”是普通高等学校本科专业电气工程及自动化、自动化的专业必修课程。“电力传动与控制系统”集电力传动、电力电子、自动控制、检测技术以及计算机控制等相关专业知识于一身，是高等学校本科“强电”专业中最具综合性的一门课程。为了适应现代高等教育的特点，特别是从加强对学生工程实践能力的培养这一角度出发，编者在多年教学和科研的基础上完成了这本教材的写作。

本书共分为3篇，分别是电力传动基础、直流调速系统和交流调速系统，下面进行简要介绍。

电力传动基础篇是本课程与先行课程的接口。考虑到《电机学》和《电力电子技术》的现行教材中，有关传动的内容比较少；直接教授控制系统相关内容，学生在理解方面存在一定难度。因此从多年教学实践的感受出发，特意编写本篇。在选用“电机与拖动基础”课程的学校，这部分内容可以选讲或略讲。本篇的主要内容包括直流电动机的传动基础、交流电动机的传动基础和电力传动中的电力电子变换器。在电力电子变换器中，对H桥可逆PWM电路进行了较为详细的分析，特别是对其四象限运行能力进行了讨论；对于晶闸管相控整流器，则着重对其带电动机负载时的机械特性以及整流装置的动态数学模型进行了讨论，对其四象限运行的情况则放到第七章进行讨论。对于逆变器调制技术特别是空间矢量调制技术，本书是按照电压型逆变器的常规调制技术进行讲授的，这在恒压频比控制和矢量控制的交流变频器中是适用的，但在直接转矩控制中则有不同需要。为此本书将直接转矩控制中有关矢量的优化安排的内容放在第3篇对应章节中。调速是电力传动系统的主要目标，转速的检测是调速系统中重要的环节，本书特别列出一章讲述相关的内容，也放在第1篇。

第2篇是直流调速系统。如前所述，直流调速系统到目前为止在一些领域还在应用，特别是其中关于闭环系统的相关分析和工程设计法不但是调速系统而且也是其他工程控制系统设计的基础，具有普遍性和一般性的价值；因而仍然自成一篇。该篇的主要内容包括单闭环控制的直流调速系统、双闭环控制的直流调速系统、工程设计法以及可逆直流调速系统等。

第3篇是交流调速系统。本篇首先讲述的是标量控制的交流变频调速系统，其次是高性能的交流变频调速系统，包括矢量控制和直接转矩控制。虽然绕线电机的串级调速系统目前应用已经较少，但作为交流调速系统中一种经典的方案，特别是其升级版“双馈调速系统”在节能效果上不次于变频调速系统且在风力发电领域有重要应用，本书仍然将其作为一章列入。此外，交流同步电动机，特别是永磁交流同步电动机的工业应用越来越广泛，本书对同步电动机的调速单独作为一章进行讲述。

为了培养学生的工程实践能力，本课程的讲授可以采用CDIO项目式教学法。作为范例，本书在附录中给出了直流脉宽调速系统的CDIO三级项目教学培养方案，希望对读者有所帮助。

本书可作为统一设置的《电力传动与控制系统》课程教材，也可以作为独立设置的《直流调速系统》和《交流调速系统》课程教材；使用者可根据具体情况选讲。