電力拖動自動控制系統——運動控制系統

本書是根據全國高等院校電工及自動化類專業教學指導委員會制定的教材規劃編寫的，是本教材的修訂第3版。自本書第2版1992年出版以來，有關的科學技術已經取得了很大進步，電力電子變換器中以晶閘管為主的可控器件已逐步被MOSFET和IGBT等功率開關器件所取代，變換技術也因此由相位控制轉變成脈寬調製(PWM)；模擬電子控制器已基本上讓位於數字電子控制器；交流可調拖動逐步取代直流拖動已經成為不爭的事實，交流拖動控制技術本身也有不小的進展。本書針對這些技術發展進行了全面的修訂。 在內容上，本書包括直流拖動控制系統和交流拖動控制系統兩篇。編寫思路繼承了前兩版的特色，理論和實際相結合，應用自動控制理論解決電力拖動控制系統的分析和設計問題，以控制規律為主線，由簡人繁、由低及高地循序深入，主要論述了系統的靜、動態性能，並發展了實用價值很高的工程設計方法。 本書可作為高等學校電氣工程與自動化、電氣工程及其自動化專業和自動化專業的教材，也可供有關工程師和技術人員參考。 ^[1] 

前言

常用符號表

第1篇 直流拖動控制系統

第1章 閉環控制的直流調速系統

1．1 直流調速系統用的可控直流電源

1．1．1 旋轉變流機組

1．1．2 靜止式可控整流器

1．1．3 直流斬波器或脈寬調製變換器

1．2 晶閘管—電動機系統（V-M系統的主要問題）

1．2．1 觸發脈衝相位控制

1．2．2 電流脈動及其波形的連續與斷續

1．2．3 抑制電流脈動的措施

1．2．4 晶閘管—電動機系統的機械特性

1．2．5 晶閘管觸發和整流裝置的放大係數和傳遞函數

1．3 直流脈寬調速系統的主要問題

1．3．1 PWM變換器的工作狀態和電壓、電流波形

1．3．2 直流脈寬調速系統的機械特性

1．3．3 PWM控制與變換器的數學模型

1．3．4 電能回饋與泵升電壓的限制

1．4 反饋控制閉環直流調速系統的穩態分析和設計

1．4．1 轉速控制的要求和調速指標

1．4．2 開環調速系統及其存在的問題

1．4．3 閉環調速系統的組成及其靜特性

1．4．4 開環系統機械特性和閉環系統靜特性的關係

1．4．5 反饋控制規律

1．4．6 閉環直流調速系統穩態參數的計算

1．4．7 限流保護——電流截止負反饋

1．5 反饋控制閉環直流調速系統的動態分析和設計

1．5．1 反饋控制閉環直流調速系統的動態數學模型

1．5．2 反饋控制閉環直流調速系統的穩定條件

1．5．3 動態校正——PI調節器的設計

1．6 比例積分控制規律和無靜差調速系統

1．6．1 積分調節器和積分控制規律

1．6．2 比例積分控制規律

1．6．3 無靜差直流調速系統及其穩態參數計算

1．7 電壓反饋電流補償控制的直流調速系統

1．7．1 電壓負反饋直流調速系統

1．7．2 電流正反饋和補償控制規律

1．7．3 電流補償控制直流調速系統的數學模型和穩定條件

習題

第2章 轉速、電流雙閉環直流調速系統和調節器的工程設計方法

2．1 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及其靜特性

2．1．1 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成

2．1．2 穩態結構框圖和靜特性

2．1．3 各變量的穩態工作點和穩態參數計算

2．2 雙閉環直流調速系統的數學模型和動態性能分析

2．2．1 雙閉環直流調速系統的動態數學模型

2．2．2起動過程分析

2．2．3 動態抗擾性能分析

2．2．4 轉速和電流兩個調節器的作用

2．3 調節器的工程設計方法

2．3．1 工程設計方法的基本思路

2．3．2 典型系統

2．3．3 控制系統的動態性能指標

2．3．4 典型I型系統性能指標和參數的關係

2．3．5 典型Ⅱ型系統性能指標和參數的關係

2．3．6 調節器結構的選擇和傳遞函數的近似處理——非典型系統的典型化

2．4 按工程設計方法設計雙閉環系統的調節器

2．4．1 電流調節器的設計

2．4．2轉速調節器的設計

2．4．3 轉速調節器退飽和時轉速超調量的計算

2．5 轉速超調的抑制——轉速微分負反饋

2．5．1 帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統的基本原理

2．5．2 退飽和時間和退飽和轉速

2．5．3 轉速微分負反饋參數的工程設計方法

2．5．4。帶轉速微分負反饋雙閉環調速系統的抗擾性能

2．6 弱磁控制的直流調速系統

2．6．1 變壓與弱磁的配合控制

2．6．2 非獨立控制勵磁的調速系統

2．6．3 弱磁過程的直流電動機數學模型和弱磁控制系統轉速調節器的設計

習題

第3章 直流調速系統的數字控制

3．1 微型計算機數字控制的主要特點

3．1．1 數字量化

3．1．2 採樣頻率的選擇

3．1．3 微機數字控制系統的輸入與輸出變量

3．2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件和軟件

3．2．1 微機數字控制雙閉環直流調速系統的硬件結構

3．2．2 微機數字控制雙閉環直流調速系統的軟件框圖

3．3 數字測速與濾波

3．3．1旋轉編碼器

3．3．2 M法測速

3．3．3 T法測速

3．3．4 M/T法測速

3．3．5 各種數字測速方法的精度指標

3．3．6 M/T法數字測速軟件框圖

3．3．7 數字濾波

3．4數字PI調節器

3．4．1 模擬PI調節器的數字化

3．4．2 改進的數字PI算法

3．4．3智能型PI調節器

3．5 按離散控制系統設計數字控制器

3．5．1 具有零階保持器的數字控制直流調速系統

3．5．2 控制對象傳遞函數的離散化

3．5．3 數字轉速調節器的設計

3．6 數字控制系統的故障檢測、保護與自診斷

3．6．1 故障檢測

3．6．2 故障保護

3．6．3 故障自診斷

習題

第4章 可逆直流調速系統和位置隨動系統

4．1 可逆直流調速系統

4．1．1 單片微機控制的PWM可逆直流調速系統

4．1．2 有環流控制的可逆晶閘管—電動機系統

4．1. 3 無環流控制的可逆晶閘管—電動機系統

4．2位置隨動系統

4．2．1 位置隨動系統的組成

4．2. 2 位置隨動系統的特徵及其與調速系統的比較

4．2．3位置傳感器

4．2．4 位置隨動系統的穩態誤差分析和參數計算

4．2．5 位置隨動系統的動態校正與控制

習題

第2篇 交流拖動控制系統

第5章 閉環控制的異步電動機變壓調速系統——一種轉差功率消耗型調速系統

5．1 異步電動機變壓凋速電路

5．2 異步電動機改變電壓時的機械特性

5．3 閉環控制的變壓調速系統及其靜特性

5．4 閉環變壓調速系統的近似動態結構框圖

5．5轉差功率損耗分析

5．6 變壓控制在軟起動器和輕載降壓節能運行中的應用

5．6．1 軟起動器

5．6．2 輕載降壓節能運行

習題

第6章 籠型異步電動機變壓變頻調速系統VVVF系統——轉差功率不變型調速系統

6．1 變壓變頻調速的基本控制方式

6．1．1 基頻以下調速

6．1．2 基頻以上調速

6．2 異步電動機電壓—頻率協調控制時的機械特性

6．2. 1 恆壓恆頻正弦波供電時異步電動機的機械特性

6．2. 2 基頻以下電壓—頻率協調控制時的機械特性

6．2. 3 基頻以上恆壓變頻時的機械特性

6．2．4 恆流正弦波供電時的機械特性

6．3 電力電子變壓變頻器的主要類型

6．3．1 交—直—交和交—交變壓變頻器

6．3．2 電壓源型和電流源型逆變器

6．3．3 180度導通型和120度導通型逆變器

6．4 變壓變頻調速系統中的脈寬調製(PWM)技術

6．4．1 正弦波脈寬調製(SPWM)技術

6．4．2 消除指定次數諧波的PWM(SHEPWM)控制技術

6．4．3 電流滯環跟蹤PWM(CHBPWM)控制技術

6．4．4 電壓空間矢量PWM(SVPWM)控制技術(或稱磁鏈跟蹤控制技術)

6．4．5 橋臂器件開關死區對PWM控制變壓變頻器工作的影響

6．5 基於異步電動機穩態模型的變壓變頻調速系統

6．5．1 轉速開環恆壓頻比控制調速系統——通用變頻器—異步電動機調速系統

6．5．2 轉速閉環轉差頻率控制的變壓變頻調速系統

6．6 異步電動機的動態數學模型和座標變換

6．6．1 異步電動機動態數學模型的性質

6．6．2 三相異步電動機的多變量非線性數學模型

6．6．3 座標變換和變換矩陣

6．6．4 三相異步電動機在兩相座標系上的數學模型

6．6．5 三相異步電動機在兩相座標系上的狀態方程

6．7 基於動態模型按轉子磁鏈定向的矢量控制系統

6．7．1 矢量控制系統的基本思路

6．7．2 按轉子磁鏈定向的矢量控制方程及其解耦作用

6．7．3轉子磁鏈模型

6．7．4 轉速、磁鏈閉環控制的矢量控制系統——直接矢量控制系統

6．7．5 磁鏈開環轉差型矢量控制系統——間接矢量控制系統

6．8 基於動態模型按定子磁鏈控制的直接轉矩控制系統

6．8．1 直接轉矩控制系統的原理和特點

6．8．2 直接轉矩控制系統的控制規律和反饋模型

6．8．3 直接轉矩控制系統與矢量控制系統的比較

習題

第7章 繞線轉子異步電機雙饋調速系統——轉差功率饋送型調速系統

7．1 異步電機雙饋調速工作原理

7．1．1 異步電機轉子附加電動勢的作用

7．1．2 異步電機雙饋調速的五種工況

7．2 異步電機在次同步電動狀態下的雙饋系統——串級調速系統

7．2．1 串級調速系統的工作原理

7．2．2 串級調速系統的其他類型

7．3 異步電動機串級調速時的機械特性

7．3．1 異步電動機串級調速機械特性的特徵

7．3．2 異步電動機串級調速時的轉子整流電路

7．3．3 異步電動機串級調速機械特性方程式

7．4 串級調速系統的技術經濟指標及其提高方案

7．4．1 串級調速系統的效率

7．4．2 串級調速系統的功率因數及其改善途徑

7．4．3 斬波控制的串級調速系統

7．4．4 串級調速裝置的電壓和容量

7．5 雙閉環控制的串級調速系統

7．5．1 雙閉環控制串級調速系統的組成

7．5．2 串級調速系統的動態數學模型

7．5．3 調節器參數的設計

7．5．4 串級調速系統的起動方式

7．6 異步電機雙饋調速系統

7．6．1 雙饋調速系統的構成

7．6．2 雙饋調速系統的矢量控制

習題

第8章 同步電動機變壓變頻調速系統

8．1 同步電動機變壓變頻調速的特點及其基本類型

8．2 他控變頻同步電動機調速系統

8．2．1 轉速開環恆壓頻比控制的同步電動機羣調速系統

8．2．2 由交—直—交電流型負載換流變壓變頻器供電的同步電動機調速系統

8．2．3 由交—交變壓變頻器供電的大型低速同步電動機調速系統

8. 2．4 按氣隙磁場定向的同步電動機矢量控制系統

8. 2．5 同步電動機的多變量動態數學模型

8．3 自控變頻同步電動機調速系統

8．3．1 梯形波永磁同步電動機(無刷直流電動機)的自控變頻調速系統

8．3．2 正弦波永磁同步電動機的自控變頻調速系統

習題

附錄

附錄1 幾種傳遞函數的近似處理條件

附1．1 直流調速系統中電力電子變換器傳遞函數的近似處理條件

附1．2 三個小慣性環節的近似處理條件

附1．3 忽略反電動勢動態影響的近似條件

附錄2 典型Ⅱ型系統的閉環幅頻特性峯值最小(Mrmin)準則——式(2—34)、式(2—35)、式(2—37)的證明

附錄3 第3．5節使用的計算機輔助設計軟件

附3．1 程序變量

附3．2 轉速調節器設計軟件

附3. 3 系統仿真軟件

附錄4 在功率不變條件下的座標變換

附4．1 功率不變時座標變換陣的性質

附4．2 功率不變條件下的3/2變換及匝數比

附錄5 由三相靜止座標系到兩相任意旋轉座標系上的變換(3s/2r變換)

附5．1 3s/2r旋轉變換陣

附5．2 電壓方程的變換

附5．3 磁鏈方程的變換

附5．4 轉矩方程的變換

教學實驗參考

實驗1 晶閘管直流調速系統參數和基本環節特性測定

實驗2 帶電流截止負反饋的轉速單閉環直流調速系統

實驗3 轉速、電流雙閉環直流調速系統

實驗4 邏輯無環流可逆直流調速系統

實驗5 轉速、電流雙閉環可逆直流PWM調速系統

實驗6 雙閉環三相異步電動機調壓調速系統

實驗7 雙閉環三相繞線型異步電動機串級調速系統

實驗8 SPWM正弦脈寬調製變頻器—異步電動機變頻調速系統

實驗9 基於DSP的方波無刷直流電動機(BLDM)調速系統

部分習題參考答案

參考文獻