第1部分-1 基础知识

1、同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院电力电子与运动控制余有灵 徐志宇同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院授课教师 授课教师余有灵志宇胡明忠，实验业资深工程师2/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院课程参考资料教材 王兆安，刘进军主编电力电子技术（第5 版），机械工业出版社，2009 .7. 阮毅、陈伯时主编.电力拖动自动控制系统运动控制系统（第4版）,机械工业出版社，2010.1.主要参考书： Binmal K Bose. Modern Power Electronics and AC Dr

2、ives. 机械工业出版社,2002. Leonhard W. Control of Electrical Drives 3rd ed. Springer-Verlag，2001 陈伯时，陈敏逊编. 交流调速系统.2版 机械工业出版社,2005. 杨兴瑶编. 电动机调速原理与系统. 水利电力出版社,1995. Jai P Agrawal. 电力电子系统理论与设计. 清华大学出版社，2001. 正田英介. 电力电子学. 科学出版社，2001.论坛 中国电子顶级开发网：http:/ 中国电子网技术论坛：http:/ 电子工程世界论坛：http:/3/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息

3、工程学院成绩评定 7次课程作业，每次大约4-8个练习题。 2个系统设计题目，要求采用Matlab进行设计仿真。 课程设计项目多个，由学生自由选择开展创新类课程设计。成绩计入奖励加分。 8次实验室现场实验和3次计算机自主仿真实验。 课程考核由平时考核、期末考试和创新实验设计（作为奖励加分）构成。平时考核由课堂讨论、作业、课程项目设计以及实验成绩组成，占总成绩40% 期末课程考试成绩占60奖励加分原则上不超过5分，总分不超过100分。4/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院第一部分 基础知识电力电子与电力电子与运动控制运动控制同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院

4、内容6/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院0 0 电力电子与电力电子与运动控制运动控制知识结构知识结构7/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术的概念电力电子技术的概念 可以认为，所谓电力电子技术就是应用于可以认为，所谓电力电子技术就是应用于电电力力领域的领域的电子电子技术。技术。 电力电子技术中所变换的电力电子技术中所变换的“电力电力” ” 有有区别于区别于“电力系统电力系统”所指的所指的“电力电力” ” ，后者特指，后者特指电力网的电力网的“电力电力” ” ，前者则更一般些。，前者则更一

5、般些。 电子技术包括信息电子技术和电力电子电子技术包括信息电子技术和电力电子技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字技术两大分支。通常所说的模拟电子技术和数字电子技术都属于信息电子技术。电子技术都属于信息电子技术。 8/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术具体地说，电力电子技术就是使用具体地说，电力电子技术就是使用电力电子器件电力电子器件 对对电能电能进行进行变换变换和和控制控制的技术。的技术。 电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基电力电子器件的制造技术是电力电子技术的基础。础。 变流技术则是电力电子技术的核心变流技术则是电

6、力电子技术的核心。 输入输入 输出输出 交流交流（AC） 直流直流（DC） 直流直流（DC）整流整流 直流斩波直流斩波 交流交流（AC）交流电力控制交流电力控制变频、变相变频、变相逆变逆变 表表1-1 电力变换的种类电力变换的种类9/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子学电力电子学 美国学者美国学者W. Newell认为电力电子学是由认为电力电子学是由电力电力学学、电子学电子学和和控制理论控制理论三个学科交叉而形成的。三个学科交叉而形成的。图图1-1 描述电力电子学的倒三角描述电力电子学的倒三角形形10/74同济大

7、学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和电子学电力电子技术和电子学 电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子电力电子器件的制造技术和用于信息变换的电子器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）器件制造技术的理论基础（都是基于半导体理论）是一样的，其大多数工艺也是相同的。是一样的，其大多数工艺也是相同的。 电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也电力电子电路和信息电子电路的许多分析方法也是一致的。是一致的。电力电子技术和电力学电力电子技术和电力学 电力电子技术广泛用于电气工程中，这是电力电电力电子技术广泛用于电气工程中

8、，这是电力电子学和电力学的主要关系。子学和电力学的主要关系。 11/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术 各种电力电子装置广泛各种电力电子装置广泛应用于高压直流输电、静止应用于高压直流输电、静止无功补偿、电力机车牵引、无功补偿、电力机车牵引、交直流电力传动、电解、励交直流电力传动、电解、励磁、电加热、高性能交直流磁、电加热、高性能交直流电源等之中，因此，无论是电源等之中，因此，无论是国内国外，通常都把电力电国内国外，通常都把电力电 图图1-2 1-2 电气工程的双三角形描述电气工程的双三角形描述子技术归属于电气工程学科。在

9、我国，电力电子与电力传子技术归属于电气工程学科。在我国，电力电子与电力传动是电气工程的一个二级学科。图动是电气工程的一个二级学科。图1-21-2用两个三角形对电用两个三角形对电气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学气工程进行了描述。其中大三角形描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科和其他学科的关系，小三角形则描述了电气工程一级学科内各二级学科的关系。科内各二级学科的关系。 12/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.1 1.1 什么是电力电子技术什么是电力电子技术电力电子技术和控制理论电力电子技术和控制理论 控制理论广泛用于电

10、力电子技术中，它使电力电控制理论广泛用于电力电子技术中，它使电力电子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种子装置和系统的性能不断满足人们日益增长的各种需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技需求。电力电子技术可以看成是弱电控制强电的技术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实术，是弱电和强电之间的接口。而控制理论则是实现这种接口的一条强有力的纽带。现这种接口的一条强有力的纽带。 另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二另外，控制理论是自动化技术的理论基础，二者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基者密不可分，而电力电子装置则是自动化技术的基础元件和重要支撑技术。础元件和重要支撑技

11、术。 13/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史图图1-3 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史 一般认为，电力电子技术的诞生是以一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年年美国通用美国通用电气公司研制出第一个电气公司研制出第一个晶闸管晶闸管为标志的。为标志的。14/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎晶闸管出现前的时期可称为电力电子技术的史前期或黎明期

12、。明期。 1904年出现了年出现了电子管电子管，它能在真空中对电子流进行控，它能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。力领域的先河。 20世纪世纪30年代到年代到50年代年代，水银整流器水银整流器广泛用于电化学广泛用于电化学工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传工业、电气铁道直流变电所以及轧钢用直流电动机的传动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变动，甚至用于直流输电。这一时期，各种整流电路、逆变电路、周波变流电路的理论已经发展成熟并广为应用。在电路、周波变流电路的理论已经发展

13、成熟并广为应用。在这一时期，也应用这一时期，也应用直流发电机组直流发电机组来变流。来变流。 1947年美国著名的贝尔实验室发明了年美国著名的贝尔实验室发明了晶体管，晶体管，引发了引发了电子技术的一场革命。电子技术的一场革命。 15/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史晶闸管时代晶闸管时代 晶闸管晶闸管由于其优越的电气性能和控制性能，使由于其优越的电气性能和控制性能，使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并且其应用范围也迅速扩大。电力电子技术的概念和基其应用范围也迅速扩大。

14、电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立础就是由于晶闸管及晶闸管变流技术的发展而确立的。的。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于能使其关断的器件，属于半控型器件半控型器件。对晶闸管电。对晶闸管电路的控制方式主要是相位控制方式，简称路的控制方式主要是相位控制方式，简称相控方式相控方式。晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实晶闸管的关断通常依靠电网电压等外部条件来实现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。现。这就使得晶闸管的应用受到了很大的局限。16/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息

15、工程学院1.2 1.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史全控型器件和电力电子集成电路（全控型器件和电力电子集成电路（PIC） 70年代后期，以年代后期，以门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTO）、电力双极型晶体管电力双极型晶体管（BJT）和和电力场效应晶体管（电力场效应晶体管（Power-MOSFET）为代表的为代表的全控型器全控型器件件迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控迅速发展。全控型器件的特点是，通过对门极（基极、栅极）的控制既可使其制既可使其开通开通又可使其又可使其关断关断。 采用全控型器件的电路的主要控制方式为采用全控型器件的电路的主要控制方式为脉冲

16、宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）方式。相对于相位控制方式，可称之为方式。相对于相位控制方式，可称之为斩波控制方式斩波控制方式，简称，简称斩控方式斩控方式。 在在80年代后期，以年代后期，以绝缘栅极双极型晶体管（绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）为代表的为代表的复合复合型器件型器件异军突起。它是异军突起。它是MOSFET和和BJT的复合，综合了两者的优点。的复合，综合了两者的优点。与此相对，与此相对，MOS控制晶闸管（控制晶闸管（MCT）和和集成门极换流晶闸管（集成门极换流晶闸管（IGCT）复合了复合了MOSFET和和GTO。17/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.2 1

17、.2 电力电子技术的发展史电力电子技术的发展史把把驱动驱动、控制控制、保护电路保护电路和和电力电子器件电力电子器件集成在集成在一起，构成一起，构成电力电子集成电路（电力电子集成电路（PIC），这代表了，这代表了电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成电力电子技术发展的一个重要方向。电力电子集成技术包括以技术包括以PIC为代表的为代表的单片集成技术单片集成技术、混合集成混合集成技术技术以及以及系统集成技术系统集成技术。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的电路的工作频率工作频率也不断提高。与此同时，也不断提高。与此同时，软开关技软开关技术术

18、的应用在理论上可以使电力电子器件的的应用在理论上可以使电力电子器件的开关损耗开关损耗降为零，从而提高了电力电子装置的降为零，从而提高了电力电子装置的功率密度功率密度。 18/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于电力电子技术的应用范围十分广泛。它不仅用于一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信一般工业，也广泛用于交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调系统、计算机系统、新能源系统等，在照明、空调等家用电器及其他领域中也有着广泛的应用。等家用电器及其他领

19、域中也有着广泛的应用。 一般工业一般工业 工业中大量应用各种工业中大量应用各种交直流电动机交直流电动机，都是用，都是用电力电子装置进行调速的。电力电子装置进行调速的。 一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近一些对调速性能要求不高的大型鼓风机等近年来也采用了年来也采用了变频装置变频装置，以达到节能的目的。，以达到节能的目的。 19/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-4 AB变频器变频器有些并不特别要求调速的电机为有些并不特别要求调速的电机为了避免起动时的电流冲击而采用了了避免起动时的电流冲击而采用了软起动装置，这种

20、软起动装置也是软起动装置，这种软起动装置也是电力电子装置。电力电子装置。电化学工业大量使用直流电源，电化学工业大量使用直流电源，电解铝、电解食盐水等都需要大容电解铝、电解食盐水等都需要大容量整流电源。电镀装置也需要整流量整流电源。电镀装置也需要整流电源。电源。电力电子技术还大量用于冶金工电力电子技术还大量用于冶金工业中的高频或中频感应加热电源、业中的高频或中频感应加热电源、淬火电源及直流电弧炉电源等场合。淬火电源及直流电弧炉电源等场合。20/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用交通运输交通运输 电气化铁道中广泛采用电力电子

21、技术。电气机车中的电气化铁道中广泛采用电力电子技术。电气机车中的直流机车中采用直流机车中采用整流装置整流装置，交流机车采用，交流机车采用变频装置变频装置。直流直流斩波器斩波器也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电也广泛用于铁道车辆。在未来的磁悬浮列车中，电力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆力电子技术更是一项关键技术。除牵引电机传动外，车辆中的各种中的各种辅助电源辅助电源也都离不开电力电子技术。也都离不开电力电子技术。 电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱电动汽车的电机依靠电力电子装置进行电力变换和驱动控制，其动控制，其蓄电池蓄电池的充电也离不开电力电子装置。一台

22、高的充电也离不开电力电子装置。一台高级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠级汽车中需要许多控制电机，它们也要靠变频器变频器和和斩波器斩波器驱动并控制。驱动并控制。 飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。飞机、船舶和电梯都离不开电力电子技术。21/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电力系统电力系统 据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有据估计，发达国家在用户最终使用的电能中，有60%以上的电能以上的电能至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。至少经过一次以上电力电子变流装置的处理。 直流输电直流输电在长距离、大容量输电时

23、有很大的优势，其送电端的在长距离、大容量输电时有很大的优势，其送电端的整整流阀流阀和受电端的和受电端的逆变阀逆变阀都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主都采用晶闸管变流装置，而轻型直流输电则主要采用全控型的要采用全控型的IGBT器件。近年发展起来的器件。近年发展起来的柔性交流输电（柔性交流输电（FACTS）也是依靠电力电子装置才得以实现的。也是依靠电力电子装置才得以实现的。 晶闸管控制电抗器（晶闸管控制电抗器（TCR）、晶闸管投切电容器（晶闸管投切电容器（TSC）、静止静止无功发生器（无功发生器（SVG）、有源电力滤波器（有源电力滤波器（APF）等电力电子装置大量等电力电子装置大量用于电力系

24、统的用于电力系统的无功补偿无功补偿或或谐波抑制谐波抑制。在配电网系统，电力电子装置。在配电网系统，电力电子装置还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行还可用于防止电网瞬时停电、瞬时电压跌落、闪变等，以进行电能质电能质量控制量控制，改善供电质量。，改善供电质量。 在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池在变电所中，给操作系统提供可靠的交直流操作电源，给蓄电池充电等都需要电力电子装置。充电等都需要电力电子装置。 22/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用图图1-5 中国南方电网公司安顺换流站中国南

25、方电网公司安顺换流站图图1-6 静止无功发生器（上）和静止无功发生器（上）和 晶闸管投切电容器（下）晶闸管投切电容器（下）23/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用电子装置用电源电子装置用电源 各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流各种电子装置一般都需要不同电压等级的直流电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电电源供电。通信设备中的程控交换机所用的直流电源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型源以前用晶闸管整流电源，现在已改为采用全控型器件的器件的高频开关电源高频开关电源。大型计算机所需的工作电源、。大型计算机所

26、需的工作电源、微型计算机内部的电源现在也都采用微型计算机内部的电源现在也都采用高频开关电源高频开关电源。 在大型计算机等场合，常常需要在大型计算机等场合，常常需要不间断电源不间断电源（Uninterruptible Power Supply_ UPS）供电，不供电，不间断电源实际就是典型的电力电子装置。间断电源实际就是典型的电力电子装置。24/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用家用电器家用电器 电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量电力电子照明电源体积小、发光效率高、可节省大量能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光

27、灯。能源，正在逐步取代传统的白炽灯和日光灯。 空调、电视机、音响设备、家用计算机，空调、电视机、音响设备、家用计算机， 不少洗衣机、不少洗衣机、电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。电冰箱、微波炉等电器也应用了电力电子技术。其它其它 航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器航天飞行器中的各种电子仪器需要电源，载人航天器也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。也离不开各种电源，这些都必需采用电力电子技术。 抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来抽水储能发电站的大型电动机需要用电力电子技术来起动和调速。超导储能是未来的一种储能方式，它需要强起动和调速。超导储能是未来的一种储

28、能方式，它需要强大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。大的直流电源供电，这也离不开电力电子技术。25/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1.3 电力电子技术的应用电力电子技术的应用总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。总之，电力电子技术的应用越来越广，其地位也越来越重要。 新能源、可再生能源发电比如风新能源、可再生能源发电比如风力发电、太阳能发电，需要用电力力发电、太阳能发电，需要用电力电子技术来缓冲能量和改善电能质电子技术来缓冲能量和改善电能质量。当需要和电力系统联网量。当需要和电力系统联网 时，更时，更离不开电力电子技术。离不开电力电子技术。核聚变

29、反应堆在产生强大磁场和核聚变反应堆在产生强大磁场和注入能量时，需要大容量的脉冲电注入能量时，需要大容量的脉冲电源，这种电源就是电力电子装置。源，这种电源就是电力电子装置。科学实验或某些特殊场合，常常需科学实验或某些特殊场合，常常需要一些特种电源，这也是电力电子要一些特种电源，这也是电力电子技术的用武之地。技术的用武之地。图图1-7 风场风场26/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 运动控制系统定义：运动控制系统定义： 运动控制系统是以机械运动的驱动设备电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置作为驱动机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统运动

30、控制及其相关学科运动控制及其相关学科相关知识：相关知识： 电机与拖动基础、自动控制原理、电力电子技术等1.5 1.5 运动控制运动控制27/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院1919世纪世纪8080年代年代以前以前-仅有直仅有直流电气传动流电气传动1919世纪末，出现交流电机（鼠世纪末，出现交流电机（鼠笼式异步交流电机）笼式异步交流电机）-开始逐步使用交流电气传动开始逐步使用交流电气传动2020世纪后期世纪后期交流调速兴起交流调速兴起2020世纪世纪3030年代起，形成直流年代起，形成直流调速，交流不调速的格局调速，交流不调速的格局1.5 1.5 运动控制的发展历史运动控

31、制的发展历史28/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院工业生产:轧钢 造纸 机床传动交通运输:电力机车 电动汽车军事:雷达天线跟踪设备家电:CD机 自动洗衣机1.5 运动控制系统的应用运动控制系统的应用29/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院熄焦车运动控制系统熄焦车运动控制系统工艺工艺干熄焦系统的生产设备熄焦车为大型移动机械设备(满载时每车均重约为120吨)，由交流电机驱动沿轨道运行，往返于焦炉和熄焦塔之间，接收任一指定碳化室的红焦，并将其运往熄焦塔熄焦。30/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院技术要求技术要求 熄焦车可在03m/

32、s速度范围内按工艺要求的任意速度行驶，并实现无级调速，及软起动、软停车。 熄焦车完成接焦后，在2分钟之内行驶到提升机下指定位置，行驶距离为285m，并完成自动定位停车，干熄焦一期工程要求其定位精度达到0.1m，二期工程要求其停位精度达到0.01m。 系统能够实现与其它相关设备间的联锁控制和各种信息传输；能融入整个企业的管控一体化网络。熄焦车运动控制系统熄焦车运动控制系统31/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院难点难点n大惯性负载、调速范围宽、非线性大惯性负载、调速范围宽、非线性从调速系统的角度来分析提示从调速系统的角度来分析提示结论结论03m/s速度每车均重约为120吨熄

33、焦车完成接焦后，在2分钟之内行驶到提升机下指定位置，行驶距离为285m，并完成自动定位停车熄焦车运动控制系统熄焦车运动控制系统32/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院从类型上分从类型上分 直流电动机 交流感应电动机（交流异步电动机） 交流同步电动机。从用途上分从用途上分n用于调速系统的拖动电动机n用于伺服系统的伺服电动机运动控制系统的控制对象运动控制系统的控制对象33/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院电力电子型功率放大与变换装置电力电子型功率放大与变换装置 半控型向全控型发展半控型向全控型发展 低频开关向高频开关发展低频开关向高频开关发展 分立的器

34、件向具有复合功能的功率模块发展分立的器件向具有复合功能的功率模块发展运动控制系统的功率放大与变换装置运动控制系统的功率放大与变换装置34/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院模拟控制器模拟控制器物理概念清晰、控制信号流向直观物理概念清晰、控制信号流向直观控制规律体现在硬件电路控制规律体现在硬件电路线路复杂、通用性差线路复杂、通用性差控制效果受到器件性能、温度等因素的影响控制效果受到器件性能、温度等因素的影响并行运行，控制器的滞后时间小并行运行，控制器的滞后时间小以微处理器为核心的数字控制器以微处理器为核心的数字控制器n 硬件电路标准化程度高硬件电路标准化程度高n 控制规律体

35、现在软件上，修改灵活方便控制规律体现在软件上，修改灵活方便n 拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能拥有信息存储、数据通信和故障诊断等功能n 串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，在设计系统时应串行运行方式，其滞后时间比模拟控制器大得多，在设计系统时应予以考虑予以考虑运动控制系统的控制器运动控制系统的控制器35/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 信号检测信号检测 电压、电流、转速和位置等信号电压、电流、转速和位置等信号 信号转换信号转换 电压匹配、极性转换、脉冲整形等电压匹配、极性转换、脉冲整形等 数据处理数据处理 信号滤波信号滤波运动控制系统的信号检测与处理运动

36、控制系统的信号检测与处理36同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院运动控制系统的基本运动方程式运动控制系统的基本运动方程式mmmmemdtdKDTTdtdJL忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统忽略阻尼转矩和扭转弹性转矩，运动控制系统的简化运动方程式的简化运动方程式mmemdtdLTTdtdJ运动控制系统的控制规律运动控制系统的控制规律37/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院运动控制的根本问题是转矩控制运动控制的根本问题是转矩控制要控制转速和转角，唯一的途径就是控制电动机的电磁转矩，使转速变化率按人们期望的规律变化。磁链控制同样重要磁链控制同样重要为了有

37、效地控制电磁转矩，充分利用电机铁芯，在一定的电流作用下尽可能产生最大的电磁转矩，必须在控制转矩的同时也控制磁通（或磁链）。运动控制系统的控制规律运动控制系统的控制规律38/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院生产机械的负载转矩是一个必然存在的不可控扰动输入。归纳出几种典型的生产机械负载转矩特性，实际负载可能是多个典型负载的组合，应根据实际负载的具体情况加以分析。恒转矩负载恒转矩负载恒功率负载恒功率负载风机、泵类负载风机、泵类负载 运动控制系统的被控对象的负载特性运动控制系统的被控对象的负载特性39/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院内容40/74同济大

38、学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院自然机械特性自然机械特性 直流电机中能量（电能、机械能）转换的方向是可逆的，可直流电机中能量（电能、机械能）转换的方向是可逆的，可用三个方程来描述：用三个方程来描述：转矩方程式：转矩方程式：atIKT电势方程式：电势方程式：nKEe电压平衡方程式：电压平衡方程式：aaRIEU2.1 直流电机的机械特性他励电动机：他励电动机：41/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院在在额定电压和额定磁通额定电压和额定磁通下，电枢电路内不接任下，电枢电路内不接任何电阻时的何电阻时的n=f(T)n=f(T)2.1 直流电机的机械特性当当U=UU=U

39、N N，=N N时，时，n=f(T)n=f(T)是一条直线。是一条直线。通常用通常用(0 (0，n n0 0) )和和(T(TN N，n nN N) )两两点来作直线点来作直线42/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 电磁转矩电磁转矩T T、负载转矩、负载转矩T TL L、及空载消耗转矩及空载消耗转矩T T0 0相平衡。当负载发生变化时，则相平衡。当负载发生变化时，则n n、E E、I I、T T将自动进行调整，以适应负载的变化，保持将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。新的平衡。 例如：例如： 当当T TL LTT T TL L n n，当，当不变时不变时 E

40、E（E=KE=Ke e n n） I Ia a= =（U - EU - E）/ R/ Ra a T T T= TT= TL L（新的平衡）（新的平衡）2.1 直流电机的机械特性43/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 将直流电机的电势方程和转矩方程代入将直流电机的电势方程和转矩方程代入直流电动机电压平衡方程式中，并略加整理直流电动机电压平衡方程式中，并略加整理后，可得他励直流电机的机械特性方程为：后，可得他励直流电机的机械特性方程为：nnTKKRKUnteae020T)(0EKUn当当 时的转速时的转速 称为称为理想空载转速。理想空载转速。2.1 直流电机的机械特性44/

41、21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院人为机械特性人为机械特性是指供电电压或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻是指供电电压或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻R Radad时的机械特性；电动机的启动、调速、制动的方法就是利用人时的机械特性；电动机的启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。为机械特性。2.1 直流电机的机械特性nnTKKRKUnteae0245/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 在电压、频率及绕组参数一定的条件下，电磁转矩T与转差率s之间的关系可用曲线表示如图所示。2.2 交流异步电机的机械特性221222111232()Rp

42、UsTRfRXXs111112222()()()()ssUEEI rEEIrR 121122IIssEjxEjx 46/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 异步电动机的固有机械特性是指U1=U1N，1=1N，定子三相绕组按规定方式连接，定子和转子电路中不外接任何元件时测得的机械特性n=(T)或T=(s)曲线。 对于同一台异步电动机有正转（曲线1）和反转（曲线2）两条固有机械特性。2.2 交流异步电机的机械特性同步转速点同步转速点额定运行点额定运行点临界点临界点启动点启动点47/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 异步电动机的人为机械特性是指人为改变电

43、动机的电气参数而得到的机械特性。 改变定子电压U1、定子频率f1、极对数p、定子回路电阻r1和电抗x1、转子回路电阻r2和电抗x2，都可得到不同的人为机械特性。2.2 交流异步电机的机械特性改变定子电压改变定子电压定子回路串入对称电抗定子回路串入对称电抗转子回路串入对称电抗转子回路串入对称电抗48/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院内容49/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院3.1 3.1 运动控制系统运动控制系统结构结构50/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 控制电动机的转速和转角（位移） 依据控制结构图确定并进行建模分析给

44、定控制器驱动装置被控对象反馈环节 已学知识自动控制原理电机与拖动微机原理与接口技术自动化仪表与过程控制（本学期正在学）通信系统原理3.1 3.1 运动控制系统运动控制系统任务任务不难！不难！51/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院3.1 3.1 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统晶闸管可控整流器供电的直流调速系统52/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院3.1 3.1 不可逆不可逆PWMPWM变换器变换器- -直流电动机系统直流电动机系统 53/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug

45、1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug43.1 3.1 桥式可逆桥式可逆PWMPWM变换器变换器54/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院3.1 3.1 转速闭环的直流调速系统结构框图转速闭环的直流调速系统结构框图55/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 电压比较环节电压比较环节 n*nnUUU放大器放大器 npcUKU电力电子变换器电力电子变换器 cs0dUKU调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 ed0dCRIUn测速反馈环节测速反馈环节 nUn

46、3.2 3.2 闭环调速系统各模块建模闭环调速系统各模块建模56/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式（1-35） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn 3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统闭环静特性方程闭环静特性方程57/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKs3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统转速负反馈闭环直流调速系统稳态转速负反馈闭

47、环直流调速系统稳态结构图结构图58/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院a）只考虑给定作用时的闭环系统）只考虑给定作用时的闭环系统b）只考虑扰动作用时的闭环系统）只考虑扰动作用时的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统转速负反馈闭环直流调速系统稳态转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图结构图59/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院开环系统 Id n 例如：在图1-26中工作点从A A 闭环系统 Id n

48、 Un Un n Ud0 Uc例如：在图1-26中工作点从A B3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统转速负反馈闭环直流调速系统稳态转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图结构图60/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD闭环静特性闭环静特性开环机械特性开环机械特性Ud4Ud3Ud2Ud13.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统转速负反馈闭环直流调速系统稳态转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图结构图61/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院励磁变化励磁变化Id变化变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检

49、测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R 3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统扰动作用与影响扰动作用与影响62/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 反馈控制系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能。 例如：Us Ud0 n Un Un n Ud0 Uc 3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统抗扰能力抗扰能力63/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 但是，如果在反馈通道上的测速反馈系数受到某种影响而发生变化，它非但不能得到反馈控制系统的抑制，反而会增大被调量的误差。 例如： Un Un Uc Ud0 n 因此，

50、反馈控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。3.2 3.2 闭环调速系统闭环调速系统抗扰能力抗扰能力64/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院 调速范围/静差率 控制结构 补偿与校正 信号检测与处理 快速性 启动与制动 经济成本3.3 3.3 改进改进65/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院内容66/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院4.1 4.1 谐波和功率因数谐波和功率因数随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的随着电力电子技术的发展，其应用日益广泛，由此带来的谐波谐波(harmonics)(harmo

51、nics)和和无功无功(reactive power)(reactive power)问题日益严重，问题日益严重，引起了关注。引起了关注。无功的危害无功的危害 导致设备容量增加。导致设备容量增加。 使设备和线路的损耗增加。使设备和线路的损耗增加。 线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。线路压降增大，冲击性负载使电压剧烈波动。谐波的危害谐波的危害 降低发电、输电及用电设备的效率。降低发电、输电及用电设备的效率。 影响用电设备的正常工作。影响用电设备的正常工作。 引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。引起电网局部的谐振，使谐波放大，加剧危害。 导致继电保护和自动装置的误动作。导致继电保护和自

52、动装置的误动作。 对通信系统造成干扰。对通信系统造成干扰。 67/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院谐波谐波 正弦波正弦波电压可表示为电压可表示为 式中式中U为电压有效值；为电压有效值； u为初相角；为初相角； 为角频率，为角频率， =2 f=2 /T；f为频率；为频率； T为周期。为周期。 非正弦非正弦电压电压u( t)分解为如下形式的傅里叶级数分解为如下形式的傅里叶级数 4.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础)sin(2)(utUtuutaan tbn tnnn()(cossin)01式中式中200)(d)(21ttua20)(dcos)(1ttntua

53、n20)(dsin)(1ttntubnn=1, 2, 368/21同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院4.1 4.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础或或utacntnnn()sin()01式中，式中，cn、 n和和an、bn的关系为的关系为cabnnn22nnnarctg ab(/)acnnnsinbcnnncos基波（基波（fundamental）：频率与工频相同的分量。：频率与工频相同的分量。 谐波谐波：频率为基波频率大于：频率为基波频率大于1整数倍的分量。整数倍的分量。 谐波次数谐波次数：谐波频率和基波频率的整数比。：谐波频率和基波频率的整数比。 n次谐波电

54、流含有率以次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示）表示 HRIIInn1100(%)电流谐波总畸变率电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）分别定义为）分别定义为（Ih为总谐波电流有效值）为总谐波电流有效值） (%)1001IITHDhi(3-58)69/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院4.1 4.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础功率因数功率因数 正弦电路正弦电路 有功功率就是其平均功率：有功功率就是其平均功率： 20cos)(21IUtiduP式中式中U、I分别为电压和电流的有

55、效值，分别为电压和电流的有效值， 为电流滞后于电压的相位差。为电流滞后于电压的相位差。视在功率为：视在功率为： S=UI 无功功率为：无功功率为： Q=UIsin 功率因数为：功率因数为： SP无功功率无功功率Q与有功功率与有功功率P、视在功率、视在功率S之间的关系：之间的关系： 222QPS在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差在正弦电路中，功率因数是由电压和电流的相位差 决定的，其决定的，其值为：值为： =cos 70/74同济大学电子与信息工程学院同济大学电子与信息工程学院22PSQ4.1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础11cosPUI非正弦电路非正弦电路 有功功率为有功功率为功率因数为：功率因数为