电传动最新成果（电力传动概况）

电力传动概况

电机工作时，根据其控制的对象不同，有的需要在一定宽度范围内调速，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出力和速度要求。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。

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。

直流传动和交流传动在 19世纪 90年代先后诞生。在20世纪的大部分年代里，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。到1995年左右，欧洲停止了维修量大的直流传动系统机车，开始全部生产交流传动机车。我国也于1998年提出了用10年左右时间实现从直流传动到交流传动的转换的铁路牵引传动产业政策。

电力传动虽然分为调速传动和不调速传动.但实际上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1.中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，如车辆的传动。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。随着能源的紧续和人们节能意识的增强，调速传动1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。对于冈机和水委这样的离心、式负载通过调速来节能，有非常好的效益。如果转速降为 1/2.功耗将降为1/8。有资料显示，50kW 的风机或水泵，如果一年运行2 000 h，运行速度为额定值的75%，其调速传动装置的投资回收周期约为1.9年。

直流电机传动

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。转子绕组也称中枢绕组。转子电流也称电枢电流。这两个独立的磁通源口以独立控制，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1 500 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。

交流电机传动

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。交流传动中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。异步电机也叫感应电机。异步电机的转子分为笼型和绕线式两类.都是由一些导体构成，本身没有磁场。

在异步电机的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热.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.就不能切割磷成线，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步由 机的定子磷场与转子异步运动从而感应出电动热而得名。同步电机的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完全一样的.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，一般用/表示。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，一般用f表示;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改变八来调速。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改变/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阳，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。四是在绕线式异步电机的转子中接入频率可调的变频器来调速，称为双馈电机调速。

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机，都是通过调节定子电压（电流）的频率f来实现。如何来调节加载电机两端电压的频率呢?下面就以DC/AC 单相变换的逆变器工作原理来说明。如图 所示是单相逆变器的工作原理图。

图（a）是单相逆变器的主电路图。根据开关1、4和开关2.3的闭合断开时间的不同选择，可以获得图（b）上方所示的方波交流电压，也可以获得图（b）下方所示的正弦脉冲（SPWM）交流电压。显然，逆变器输出的电压频率是可以根据需要改变的。图所示是三相逆变器的主电路和三相输出电压波形。 三相输出 PWM电压通过滤波可以等效成三相正弦波电压。

图（b）下方波形和图（b）波形实质上就是1964年提出的分谐波控制的脉宽调制技术原理的应用。分谐波脉宽调制技术的基本原理是;面积相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

因此，图中的（a）和（b）对应的每一等分的面积相等时，（a）和（b）电压加在具有电感的环节中产生的电流效果基本相同。显然，如果把图4-33中的（b）的脉冲列的宽度都成比例地减小到原来的60%，维持高度不变，则其等效的正弦半波电压的幅值也将只有原来的60%，如图所示。

根据 1964 年提出的分谐波脉宽调制原理，理论上，DC/AC变换的逆变器可以调制出不超过直流侧电压幅值的任意大小和任意形状的输出电压波形。对于交流电机，能改变电机定子电压的量只有三个;频率、幅值、相位。采用PWM调制技术.逆变器可以输出不同频率、不同幅值的等效正弦波电压，并且可根据需要随时调整该等效正弦波电压的相位角。

通过调节交流电机（异步电机或同步电机）定子电压频率/.来实现转速的平滑调节.就是现在经常讲的变频调速。 为了满足各种生产机械的需要，变频调速除了要调节定子电压频率外，还需要同时调节定子电压，以维持电机的转矩基本恒定。这就是交流电机VVVF （Variable-Voltage Variable-Frequency）调速。简单的 VVVF 调速采用维持电机定子端电压 U。

和定子频率、之比基本恒定来调速。U和I之比约等于电机的磁通。磁通量是个标量，所以常说的VVVF 调速就是Vf标量控制调速。

1972年，德国西门子工程师 Felix Blaschke 用英文发表了磁场定向控制（Field Oriented Control，简称 FOC）的论文《感应电机磁场定向的控制原理》（作者1971年用德文发表过），从理论上解决了感应电机可以像直流电机一样进行转矩和转速的瞬时调节控制的问题。由于电机的磁场做通势是有方向的，是个矢量。因此，磁场定向控制（FOC）也称为矢量控制（Vector Control，简称VC）。Felix Blaschke 的这篇文章现在是国际上公认的矢量控制技术的奠基石。

1985年 DepenBrock提出直接力矩控制（Diret Torque Control，简称 DTC）之前，与只能控制电流大小的 VI标量控制相比较而言，只有FOC是矢量控制技术。因此长期以来，矢量控制就成了FOC的代名词。

FOC 的解耦控制对电机参数的依赖性很强，而电机转子电阻在电机运行过程中变化最大。为了获得电机整个运行过程的优良的动静态特性，FOC. 系统需要对电机参数（特别是转子电阻）的变化进行辨识或补偿。自1971年至 1985年的十多年间，在一个控制周期内，既能元成坐标变换等复杂运算和控制。又能完成对电机参数进行部视等i运算的高性能微外理器还没有得到长足发展。因此FOC用干普通电机上.在当时难以获得很好的动静态特性。于是，在1985年，另一种控制思路，即 DTC 诞生了。

DTC.摒弃了对电机参数依赖性强的转子磁通势实施控制（即转子磁场定向控制），采取了只受电机定子电阻影响的定子磁通势控制。对定子磁通势进行控制，无法达到转子磁场定向的解耦控制效果。为此 DTC引入了转矩内环，通过转矩环来实现对磁链扰动的抑制，I达大至生矩利速度的解群老制由一对磁销的折动1机制 法用的是两行苦"丘 一丘"控制

即滞环控制.所以力矩和速度的解粗控制不是平滑的.即力矩和速度的控制是有脉动的。DTC通过转矩内环对定子电压实施"乓-乓"控制，相当于对定子电压的大小和相位实施控制，从而实现了速度和力矩的脉动解耦控制。因此 DTC也是一种矢量控制技术。

汽今为止，转子磁场定向控制（FQC）和直接力矩控制（DTC）是交流传动系统中两种典型的高性能电机调节控制方式，无论在一般工业领域还是在轨道交通中都得到了广泛的应用。

特殊电机传动

无论是直流电机还是交流电机，定子与转子之间都有气隙。电机要完成传动的任务，首先必须在电机定、转子之间建立气隙磁场。直流电机的气隙磁场在磁极下是均匀一致的;而交流电机的气隙磁场是成正弦波分布的，在旋转的磁极下看也是均匀一致的。在上面两小节中介绍的直流电机传动和交流电机传动中，气隙磁场都是大小不变的，且都是由电磁线圈通电产生的。这一小节将要介绍的几种电机传动，要么气隙磁场是永磁体产生的，要么气隙磁场是变化的。因此，本节介绍的电机传动称为特殊电机传动。

永磁无刷直流电机传动（PMBLDCM）。20世纪 80年代开发出钕铁硼永磁材料以来，在中小功率的传动应用中，采用水磁铁建立气隙磁场的电机传动更具优越的动力性能、更小的体积和更高的效率.故而越来越受欢评。如果押把有流电机的定千同酸磁极换成永酸体。

然后把定、转子互换，即把定子永磁磁极放到转子上，同时把转子绕组分布在定子上，这样就成了一台永磁直流电动机。由于转子绕组搬到了定子上，所以电刷和换向器就不需要了，所以习惯上称为永磁无刷直流电机。与普通直流电机对应，永磁无刷直流电机的转子磁场呈现均匀分布，定子绕组中则根据转子磁极的转动位置通以正方向或反方向的直流电。定子绕组中的电流控制由电力电子变换装置来完成。为了便于电力电子装置的控制，定子绕组一般分为三组或二相来控制，如图 所示。根据传动特性的需要，该电力电子装置控制定子绕组中直流电流的大小和方向。

永磁同步电机传动（PMSM）。把交流同步电机的转子励磁磁极换成永磁磁极就得到了水磁同步电机。表面上永磁同步电机与永磁无刷电机差不多，实质上差别很大。永磁同步电机的永磁转子设计成磁场呈现正弦分布，且定子三相绕组中通以普通同步电机一样的正弦交流电，由逆变器来控制正弦电流的大小和相位，如图所示。在实施控制时，永磁同步电机和永磁无刷直流电机的转子位置检测也不一样。永磁同步电机中，转子位置需要连续实时检测，需要高分辨率的位置传感器;而永磁无刷直流电机在一个控制周期内只需检测并提供6个位置信号即可。

同步磁阻电机传动（Syncrel）。钕铁硼等永磁体是通过充磁来实现的，这些永磁体在一定条件下会失去磁性，如高温，剧烈振动等。为了解决永磁转子失磁这样的问题，一种新的电机形式发展起来了，它就是磁阻电机。所谓磁阻电机，就是采用铁磁材料制成形状和磁阳有规律变化的生（定子）然后基于转子倾向于和定子磁证最大的位誉对齐（即搜索最小磁阻位置）这一原理制成的电机。

把水磁同步电机的永磁转子换成铁磁材料做的齿状转子。就得到—台同步磁阳电机。同步磁阻电机的定子绕组在定子和转子之间的气隙中生成一个空间正弦分布的磁场，而且在稳态条件下，转子与该磁场同步旋转。同步磁阻电机可以直接采用为异步电机开发的逆变器技术实现传动控制，但它的控制较异步电机简单，矢量控制时，前者不用对磁场矢量进行定位。同时，同步磁阻电机比异步电机有更高的效率和转矩密度。

开关磁阻电机传动（SRM）。开关磁阻电机的工作原理与同步磁阻电机一样，但它的结构设计比后者简单得多。开关磁阻电机的定子和转子均为凸极的双凸极电机，其定子的设计类似于直流电机的定子磁极设计，采用集中绕组∶转子设计成齿数（或称凸极数）与定子不一样的齿状凸极。

如图所示是定子12极、转子8极的三相开关磁阻电机及其控制示意图。为了实现连续旋转，定子每相电流根据转子的位置按一定的顺序开通和关断.转子位置的检测通过位置传感器进行。开关磁阳电机传动的优点是具有非常宽的调速范围和较高的效率，且鲁棒性很好。由于开关磁阻电机不是正弦波磁场分布设计，而是采用集中绕组和双内极定 、转子结构.所以其运行特征是高度非线性，常规的交流电机建模技术不能直接用来描述之。但是因为它这样的结构.它的噪声和转矩脉动比其他电机大。但可L以运行在环培条件很恶劣的场合，所以非常适用于航空航大系统传动中。

电力电子脉宽调制技术对电机传动的影响

1964年从通信领域引入到电力电子领域的脉宽调制（习惯称PWM）技术，大大促进了电力申电子技术在电力传动中的发展。在直流电压源供电的直流传动中.通过 PWM技术可以获得可变的直流电压幅值;在直流电压源供电的交流传动中，通过 PWM技术可以获得可变的交流电压幅值、频率和相位。

PWM技术供电电压不像真正的直流电压或正弦交流电压，PWM电压中除了要求的直流电压或正弦交流基波电压以外还含有丰富的谐波，其中电压的变化率很大，即 du/dt很大。电压型逆变器给电机供电还存在着另一个问题∶在电机中性点产生共模电压。正弦波电压供电的 du/d t非常低，对于2000 V/50Hz的电压来说，du/dt最大值只有0.2m√2（≈ 0.89）Vs;逆变器供电的电压 du/dt 与开关器件以及驱动电路有关，对于IGBT逆变器来说，通常为6 000~8000 Vμs，高的时候达到15 000 V/μs。

这么高的 du/dt 通过电缆线路加在电机上，会在电机的端部产生过电压。IEC34-17标准要求在 d/dr 在 500 V/us以内。虽然可以在变流器的输出端加上正弦波滤波器，但由于体积、重量、效率等各方面的要求限制，特别是在中大容量的电力传动中，往往是逆变器出来的电压直接通过电缆连接到电机上。这么高的 du/dt，会对电缆和电机的绝缘造成很大影响，甚至破坏绝缘。另外，正弦电压供电时在电机绕组的中心不产生共模电压;逆变器供电的PWM电压在电机绕组的中心产生共模电压。共模电压会在电机轴承上产生电晕放电，腐蚀轴承。

针对逆变器 PWM电压供电带来的问题，人们进行了很多研究，并提出了许多解决 PWM 谐波电压影响的办法。除了采取正弦波滤波器外，可以在输出线路上采用线路电抗器、PWM 电压 du/d 滤波器，还可以采取加强电机绝缘的办法.特别是在电机接线端子的绕组端部加强绝缘的办法防止电机绝缘击穿;可以采用如下办法减小共模电压带来的轴承电流影响;电机转轴接地系统，对轴水和轴竞进行绝缘，采用陶瓷轴承衬，采用法拉第底蔽层 也可以采用导电润滑机油来直接给转轴电压提供电流通路等。

电力传动主要应用领域

需要对电机的速度和力矩特性进行控制的场合，就有电力传动的应用，所以电力传动应用领域非常广阔。随着社会发展的更高需求，电力传动已经深入到社会生活的各个方面。

信息家电和IT业。信息化程度越来越高的家用电器中，电机传动系统也从简单的通断开关型发展成为变频调速型，如变频空调、变频冰箱等。还有录像机、VCD机、DVD机的电机传动，以及计算机内的 CPU 风扇和各种磁盘光盘驱动器等都离不开电力传动。

（1）机械加工设备 在计算机和网络的联系和控制下，把电机及其传动装置和各种传感器与机械紧密结合在一起，可以根据要求自由地控制，精度高，响应速度快，可以根据设计文档自动完成所需的机械加工。如加工中心数控机床。工业机器人，刀具库。自动化仓库等通过运输托盘和台车连接起来，在计算机指令和电机传动控制下，实现设计、加工、检测和装配自动化。

（2）起重机与输送机 起重机是搬运物料的机械设备，一般有多种动作，分别由起升，运行、变幅、回转等机构完成，经常通过多台电机传动来完成。它要求能迅速、平稳地起动和制动。且多台电机运行同步，以达到搬运物料的准确和安全起吊和着落。输送机是连续搬运各种物料的装置，各大商场里的自动滚梯也可以归入输送机范畴。双电机或多电机传动输送机时，要注意各电机的速度协调和合理分配功率。

（3）风机与水泵风机和水泵的用量很大.它们的总电量约与全国所有用由量的1/3. 风机和水泵的传动控制主要是为了改变电机的速度以节电节能。风机水泵的负载特性使得可以通过调压来调速，但现在市场上大量供应的用于风机水泵的变频调速器绝大多数是VVVF 控制的。现在市场上也开始供应调速性能更好的矢量控制变频调速器。

（4）电梯 电梯按照建筑物楼层的多少分为低速 快速和高速三种电核不管低速中速还是高速电梯.传动电机需要适应频繁起动和制动的要求。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。随着高层建筑的日益增多.每一高层建筑内都设置了多台电梯。为了缩短电梯候梯时间，提高总体运行效率和服务质量，通常将3~8台电梯编组管理，进行电梯群控。

（5）矿山机械 矿山机械包括矿山挖掘机、矿用自卸车和矿井提升机等为适应矿用挖掘机外载荷量变化频繁、振动和冲击载荷大、环境温差大等工作特点，要求传动系统具有良好的调速特性.堵转特性和环境适应能力。矿用自卸车采用两台电机分别驱动左右后轮 要求很高的可靠性和协调性，并能适应在振动大、灰尘大、温差大的恶劣环境下工作。矿井提升机是采矿业中联系井下和地面的主要运输工具，用于提升煤炭、矿石、人员、材料、设备等，其安全保护最重要。电机传动等所用的电器设备局符合矿山与煤矿的防爆、防尘等要求，还需有在紧急状态下或停电时的自动制动装置。

（6）金机械各类轧钢机及其辅助加工线在冶金工业中占有很大的比重 其电力传动与自动化水平举足轻重。总体上分为可逆热轧机、热连轧机、带钢冷轧机和可逆冷轧机四种。可逆热轧机单台电机容量可达8 000 kW 以上，转速为每分钟数十转，要求频繁快速正反转、高达3倍的过载能力。热连轧机为了保证连续稳定的轧制，不造成堆钢或拉钢现象，要对多台车机的速度进行协调控制带钢冷到机的主传动调速系统要求调速精度高 响应快 调速时各机架速度相对值保持不变。可逆冷轧机用于品种规格多的轧制。它工作时初始道次压下量大，轧制速度低，轧乳制力矩大;后面道次压下量小，速度高，力矩小。电机具有恒功特性，且恒功区范围宽。

（7）船舶 船舶传动以往主要是各种辅机，如舵机、锚机和系缆绞盘机、起重机和起货绞车等。近些年来在大力发展全电系统的船舶，特别是国防船舰系统。交流传动电力推进已经是船舶工业的主要发展目标，比如军用舰艇、破冰船 、拖船、电缆敷设船等。船舶电力传动系统要求能适应海上的工作环境∶冷却介质温度高、相对湿度大、盐雾腐蚀大、船舶低频振动和倾斜摇摆等。

（8）交通轨道交通几.平全部使用电传动。铁路内机车和电力机车吊然动力来源不一样，但都采用电传动技术，城市轨道交通全都采用电传动技术。由于交流传动技术的发展和成熟，自2000年以来，我国轨道交通都在大力发展交流传动技术。因为交流传动技术与直流传动相比，除了少维护和节能外，还有许多优点：

①在转向架有限安装空间内可以设置更大功率的电机.以适应高速或重载的需要;

②电机能在静止状态下任意的时间有高的起动力，利于复杂条件及重载的起动;

③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;

④黏着系数比直流传动高 10%以上，容易控制列车发挥更大的牵引力。轨道交通传动中，几乎都采用异步电机传动。为了节约能源和减少环境污染，电动汽车也得到大力发思。电动汽车传动中.除了异步电机外。高效率和高力知性能的永磁无刷由机也很

受青睐。现在城市轨道交通中，直线电机交流传动也得到广泛关注，如北京地铁机场线和广州地铁4号线等，还有上海磁悬浮线路也是直线电机的交流传动。

（9）其他领域 医疗器械、食品加工和石油机械等也大量使用电机传动。如石油钻井平台、管线、石油精炼等。钻井平台中的钻井绞车、转盘和泥浆泵等需要调速运行，管线电机需要多台控制加调速实现流量控制，石油精炼要求恒速运行居多。

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