第4章 電氣傳動調速的性能指標

4.1 基本概念

一般具有如下情況之一的工作機械，就可以采用調節速的電氣傳動系統：

-工藝過程需要調速的機械，例如起重機、電鏟、可逆軋機等機械；

-需要精確運動控制的機械，例如連軋機、造紙機、冷軋帶鋼后處理線等機械；

-有計量要求的機械，例如給料機、計量泵等計量裝置；

-自動控制的加工機床，如數控機床等；

-希望通過調速節能的機械，如水泵、風機等。

調速的電氣傳動系統的最明顯的特點就是在電源和電動機之間裝有自動控制的變流器。

隨著技術的不斷發展和降低成本的需要，很多原本不需要調速的機械提出調速的要求，而且這種趨勢呈上升的勢頭。由于計算機技術的發展，使得新工藝、新技術層出不窮，而且自動控制理論中的新思想也在電氣傳動系統中得到應用。目前調速的電氣傳動系統正在方興未艾地快速發展，以滿足日新月異的工藝要求。

自動控制的電氣傳動系統可以更好地實現兩項功能：第一，借助于變流器，使得電能轉變成機械能的手段更加靈活，簡化了機械傳動機構，效率更高；第二，通過調節速度、轉矩等功能，提高了運動控制的精度，達到提高產量、提高產品質量、改善加工精度的目的。工作機械的運動控制包括速度控制、轉矩控制和位置控制。雖然利用機械傳動機構或液壓裝置也能實現運動控制，但是在技術性和經濟性方面都沒有太大的優勢。

調速型電氣傳動系統不僅要保證在穩態時速度（或轉矩）調節精度，而且還要保證在過渡過程時速度（或轉矩）實現最優的調節質量。如果電動機直接與電源相連接，無法保證調速的性能。只有在電源和電動機之間裝有能量變換的半導體變流器，并且變流器由復雜的自動控制系統控制其工作，才能保證很高的調節性能。變流器的調節量是電壓、頻率或脈沖寬度等電能參數，變流器的控制系統通過這些可調參數對電動機的電流、頻率和勵磁電流進行控制。

控制系統內部的主要部分是被控制量的調節器，大多數工作機械采用速度調節器進行速度控制，也有對轉矩或者位置進行控制的情況。通常這些調節器都是采用閉環控制，即采用被控量作為調節器的負反饋參數。典型的速度調節器的結構框圖如圖4-1所示。

圖4-1 速度調節器的結構框圖

速度設定值ω_set可以由操作工手動設定（如電鏟、起重機），也可以由工作機械本身的自動控制系統設定（如數控機床的CNC），還可以由上一級的工藝自動控制系統設定（如連軋機的基礎自動化系統）。

由速度檢測裝置測出速度反饋值ω_act。常用的測速裝置有測速發電機、脈沖編碼器或者利用數學模型計算電動機的轉速。速度反饋系數k_α是把實際速度值轉變成與速度設定值同樣量綱的系數。嚴格講，反饋系數還應當考慮時滯因素。

速度調節器通常是比例調節器或者是比例積分調節器，它的傳遞函數W_ASR（s）參數對于靜態調速性能（如調速范圍、調速精度）和動態性能指標（如快速性、超調量、振蕩次數等）的影響是非常重要的。

調節對象是由變流器、電動機、工作機械組成。反饋通道是由速度傳感器構成。設定值、調節器、調節對象和反饋通道共同構成電氣傳動系統。不同類型的電氣傳動系統的主要區別就在于使用不同類型的電動機，變流器的類型也要隨之改變。

速度控制的本質是使實際速度跟隨設定值的變化，其關鍵在于利用實際速度作為負反饋量。如果速度設定值保持不變，實際速度也應當不變，這就是所謂的恒速控制。在這種情況下，調節器的作用是對系統的擾動量如電壓波動、負載變化等實現響應，以維持速度穩定。