電氣自動化新技術叢書：交流調速系統

自動化學會組編，內容新穎，理論聯繫實際。

本書系統地介紹現代交流調速系統的基本原理、數學模型、控制系統和應用性能，以理論聯繫實際、深入淺出作為編寫方針。第2版在第1版的基礎上，按照技術與應用發展的需要做了必要的擴充與修訂，其中特別增加了“中壓大容量變頻技術”和“無速度傳感器的高性能異步電動機調速系統”兩章內容。第3版又按實際發展需要做了一定的增刪，例如增加了SVPWM控制技術、繞線轉子異步電動機雙饋控制技術、基於模型參考自適應系統用PI閉環控制構造轉速等內容。本書主要供電氣自動化領域的工程技術人員閲讀和參考，也可作為大專院校相關專業的教學參考書，以及工程技術人員繼續教育的培訓教材。

第3版前言

第2版前言

第1版前言

第1章緒論1

1.1交流調速系統的發展和應用1

1.2交流調速系統的基本類型2

1.2.1異步電動機調速系統的基本類型2

1.2.2同步電動機調速系統的基本類型3

1.3現代交流調速的技術基礎3

第2章異步電動機轉差功率消耗型調速系統5

2.1異步電動機恆頻變壓調速系統5

2.1.1異步電動機恆頻變壓調速電路5

2.1.2異步電動機改變電壓時的機械特性6

2.1.3閉環控制的恆頻變壓調速系統及其靜特性8

2.2異步電動機恆頻變壓調速時的轉差功率損耗分析9

2.3變壓控制在軟起動器和輕載減壓節能運行中的應用11

2.3.1輕載減壓節能運行12

2.3.2軟起動器13

第3章異步電動機變壓變頻調速原理和按穩態模型控制的轉差功率不變型

調速系統15

3.1異步電動機變壓變頻調速的基本控制方式15

3.1.1基頻以下調速15

3.1.2基頻以上調速16

3.2異步電動機電壓頻率協調控制時的穩態特性17

3.2.1異步電動機的穩態等效電路和感應電動勢17

3.2.2恆壓恆頻正弦波供電時異步電動機的機械特性17

3.2.3基頻以下電壓頻率協調控制時的機械特性18

3.2.4基頻以上恆壓變頻控制時的機械特性21

3.3籠型異步電動機恆壓頻比控制的調速系統22

3.3.1轉速開環恆壓頻比控制調速系統的構成22

3.3.2轉速開環恆壓頻比控制調速系統的控制作用24

3.4轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統25

3.4.1轉差頻率控制的基本概念25

3.4.2基於異步電動機穩態模型的轉差頻率控制規律25

3.4.3轉差頻率控制的變壓變頻調速系統26

第4章靜止式變壓變頻器和PWM控制技術28

4.1靜止式變壓變頻器的主要類型28

4.1.1交直交和交交變壓變頻器28

4.1.2電壓源型和電流源型逆變器31

4.1.3180°導通型和120°導通型逆變器32

4.2六拍交直交變頻器輸出電壓的諧波分析36

4.2.1諧波分析36

4.2.2變頻器輸出諧波對異步電動機工作的影響38

4.3正弦波脈寬調製（SPWM）控制技術41

4.3.1基本思想41

4.3.2正弦波脈寬調製原理42

4.3.3SPWM波的基波電壓45

4.3.4脈寬調製的制約條件47

4.3.5同步調製與異步調製48

4.3.6SPWM波的實現50

4.3.7SPWM變壓變頻器的輸出諧波分析53

4.4消除指定次數諧波的PWM（SHEPWM）控制技術56

4.5電流滯環跟蹤PWM（CHBPWM）控制技術57

4.6電壓空間矢量PWM（SVPWM）控制技術61

4.6.1電壓空間矢量61

4.6.2電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的關係64

4.6.3六拍階梯波逆變器供電時異步電動機的基本電壓矢量64

4.6.4六拍階梯波逆變器供電時異步電動機的旋轉磁場67

4.6.5期望電壓空間矢量的形成69

4.6.6SVPWM的實現方法71

4.6.7SVPWM控制時的電動機定子磁鏈72

4.6.8SVPWM控制時逆變器的輸出電壓74

4.7橋臂器件開關死區對PWM變壓變頻器工作的影響76

4.7.1死區及其對變壓變頻器輸出波形的影響76

4.7.2死區對變壓變頻器輸出電壓的影響77

第5章中壓大功率變頻技術79

5.1中壓大功率變頻技術的各種方案79

5.2三電平逆變器80

5.2.1工作原理80

5.2.2中性點箝位型逆變器工作狀態的切換82

5.2.3中性點箝位型逆變器的輸出電壓波形83

5.2.4中性點箝位型逆變器的特點85

5.2.5三電平逆變器的控制策略86

5.3單元串聯式多電平PWM變頻器90

5.3.1單元串聯式多電平變頻器的工作原理90

5.3.2變頻器整流電路的多重化連接92

5.3.3多電平移相式PWM控制95

第6章異步電動機的動態數學模型和座標變換98

6.1異步電動機動態數學模型的性質98

6.2三相異步電動機的多變量非線性動態數學模型99

6.2.1電壓方程式100

6.2.2磁鏈方程式100

6.2.3轉矩方程式103

6.2.4電氣傳動系統的運動方程式104

6.2.5三相異步電動機的動態數學模型104

6.3座標變換和變換矩陣105

6.3.1座標變換的原則和基本思路105

6.3.2三相兩相變換（3/2變換）107

6.3.3兩相兩相旋轉變換（2s/2r變換）108

6.3.4直角座標極座標變換（K/P變換）109

6.4三相異步電動機在兩相正交座標系上的動態數學模型110

6.4.1異步電動機在靜止兩相正交座標系（αβ座標系）上的動態數學模型110

6.4.2異步電動機在兩相同步旋轉座標系（dq座標系）上的動態數學模型112

6.5三相異步電動機在兩相座標系上的狀態方程式114

6.5.1ωψris狀態方程式114

6.5.2ωψsis狀態方程式116

第7章異步電動機按動態模型控制的高性能調速系統117

7.1矢量控制系統的發展歷史和基本思路117

7.2按轉子磁鏈定向的矢量控制方程式及其解耦控制119

7.3轉子磁鏈模型121

7.3.1計算轉子磁鏈的電流模型122

7.3.2計算轉子磁鏈的電壓模型124

7.3.3電壓模型與電流模型的選擇和切換125

7.4轉速、磁鏈閉環控制的矢量控制系統——直接矢量控制系統125

7.4.1帶磁鏈除法環節和電流內環的直接矢量控制系統125

7.4.2帶轉矩內環的直接矢量控制系統126

7.5磁鏈開環轉差型矢量控制系統——間接矢量控制系統127

7.6異步電動機按定子磁鏈砰砰控制的直接轉矩控制系統129

7.6.1直接轉矩控制系統的發展歷史和基本特點129

7.6.2定子磁鏈和轉矩反饋模型130

7.6.3定子電壓矢量開關狀態的選擇131

7.6.4直接轉矩控制系統與矢量控制系統的比較133

7.6.5改善直接轉矩控制系統性能的方案135

第8章異步電機轉差功率饋送型控制系統——繞線轉子異步電機

雙饋控制和串級調速137

8.1繞線轉子異步電機雙饋時的轉子迴路137

8.1.1異步電機轉子迴路附加電動勢的作用138

8.1.2轉子迴路的電力變流單元139

8.2異步電機雙饋控制的五種工況140

8.2.1次同步轉速電動狀態140

8.2.2反轉倒拉制動狀態141

8.2.3超同步轉速回饋制動狀態141

8.2.4超同步轉速電動狀態142

8.2.5次同步轉速回饋制動狀態142

8.3繞線轉子異步電動機串級調速系統143

8.3.1電氣串級調速系統的組成143

8.3.2串級調速系統的起動、調速與停車144

8.3.3異步電動機串級調速機械特性的特徵146

8.3.4串級調速裝置的電壓和功率148

8.3.5串級調速系統的效率和功率因數149

8.3.6其他類型的串級調速系統151

8.3.7串級調速系統的雙閉環控制153

8.4繞線轉子異步電機雙饋控制技術153

8.4.1雙饋控制的工況與應用153

8.4.2雙饋工作用的AC/DC雙向PWM變流器155

第9章無速度傳感器的高性能異步電動機調速系統159

9.1開環計算角速度——基於電動機數學模型計算轉子角速度或角轉差159

9.1.1利用轉子電動勢計算同步角速度後求得轉子角速度160

9.1.2利用轉矩計算轉差角速度後求得轉子角速度163

9.2閉環構造角速度——基於閉環控制作用構造角速度信號163

9.2.1比較定子電流轉矩分量用PI閉環控制構造角速度164

9.2.2比較電磁轉矩用PI閉環控制構造角速度165

9.2.3比較轉子磁鏈的電壓、電流模型用PI閉環控制構造角速度165

9.2.4比較定子電壓用PI閉環控制構造角速度166

9.2.5比較定子電流用PI閉環控制構造角速度167

9.2.6基於模型參考自適應系統用PI閉環控制構造角速度167

9.3特徵信號處理——利用電動機結構上的特徵產生角速度信號169

9.3.1檢測轉子齒諧波磁場的感應電動勢產生角速度信號169

9.3.2注入高頻信號獲取角速度信號170

第10章同步電動機調速系統171

10.1同步電動機的特點和類型171

10.2轉速開環恆壓頻比控制的同步電動機羣調速系統172

10.3直流勵磁同步電動機調速系統173

10.3.1負載換相交直交電流型變頻直流勵磁同步電動機調速系統173

10.3.2交交變壓變頻器供電的大功率低速直流勵磁同步電動機調速系統173

10.3.3按氣隙磁場定向的同步電動機矢量控制系統174

10.3.4直流勵磁同步電動機的多變量動態數學模型178

10.3.5交直交電壓源型變頻器供電的直流勵磁同步電動機調速系統180

10.4永磁同步電動機調速系統181

10.4.1梯形波永磁同步電動機（無刷直流電動機）調速系統182

10.4.2正弦波永磁同步電動機調速系統185

參考文獻188 ^[1]