1.3 电气传动系统的构成

电气传动系统是由电动机、机械传动机构、变流器和控制装置构成的。

电动机是利用电磁原理把电能转变为机械能的机电能量转换器。按照转换成机械能的运动形式划分，电动机可以分类为旋转型、直线型、步进型和振动型等几种形式，旋转型电动机是最常用的电动机。

机械传动机构用来把机械能传递给工作机械，它包括齿轮减速机、齿轮-齿条机构、传动带机构、转鼓-钢绳机构、曲柄-连杆机构、蜗轮-蜗杆机构、滚珠丝杠等（见图1-6）。

普通变流器的主体是由电力半导体器件构成，一般采用不可控的器件（二极管）和可控的器件（晶闸管、可关断晶闸管、IGBT、IGCT等等）。近年来，新型的电力电子器件层出不穷，变流器的种类也越来越多，为传统的电气传动技术注入了新鲜的活力。

供电电源、变压器和变流器构成电气传动的电力通道；电动机转子、转子输出轴上的可动部件（如测速机和脉冲编码器）、机械传动机构、工作机械构成电气传动的机械通道（见图1-7）。图1-7中的实线箭头表示电动工况时能量的传输过程，虚线箭头表示发电工况时能量的传输过程。

图1-6 常用的机械传动机构

图1-7 电气传动的电力通道和机械通道

当电动机工作在电动工况时，来自电网的电能通过电动机转变为机械能，机械能传递到工作机械（如轧钢机、水泵等）的工作部分。在能量转换和传递动力的各个环节中必然有能量损失，随之而来的想法就是如何减少转换和传递过程中的能量损失。评价电气传动系统的能量特性的指标是能量效率η_en，它定义为作用于工作机械上的有用功率与总输入功率之比。能量效率的公式为

式中 P₁——电气传动系统的输入功率；

P₂——电气传动系统的输出功率。

电气传动系统的能量效率η_en等于供电效率η_e、变流器效率η_conv和机械传递效率η_m的乘积。为了评价包括工作机械在内的整个系统的总效率，还需要乘以工作机械（例如水泵）的效率η_pm，即

式中 η——总效率；

P_me——完成生产过程所必需的功率；

η_pm——工作机械的效率。

电动机具有双向转换能量的能力，不仅可以在电动工况时把电能转变为机械能，而且还可以在工作机械减轻负载或者制动减速时工作在发电工况，这时电动机成为发电机，可以把负载侧的机械能转变为电能。扣除制动能量中机械损失部分和电路损失部分，其余部分或者回馈到电网（具有能量回馈通道），或者通过制动电阻将这部分电能消耗（没有能量回馈通道）。制动过程的能流方向如图1-7中虚线箭头所示。

控制回路根据检测到的信号去控制电气传动中的电气参数和运动参数，以满足生产工艺对于机械运动的要求。控制回路的另一个重要职能就是力求使生产过程中消耗的电能最少、成本最低。现代电气传动的控制装置是由数字控制系统构成。数字控制系统的核心微处理器，外围电路包括各种I/O接口和通信接口。为了检测机械和电气的物理量，还需要配备各种传感器，如电压互感器、电流互感器以及检测速度和位置的脉冲编码器等。图1-8所示为电气传动自动化系统的结构图。

图1-8 电气传动自动化系统的结构图

近年来，数字控制技术越来越多地应用于生产工艺的控制之中：工业计算机、可编程序控制器（PLC）、基于微处理器的外围设备和现场通信设备等。这就使整个生产过程与电气传动紧密地结合起来，形成在基础自动化和过程自动化等更高层面上的控制、管理和服务功能，同时也向电气传动的控制技术提出了新的要求和挑战。