電力傳動控制系統——運動控制系統

內容簡介

本書是普通高等教育自動化專業規劃教材，主要針對電氣工程及其自動化、自動化等專業大學本科編寫的。

圖書目錄

序一

序二

前言

常用符號表

緒論1

第1章電力傳動控制系統的

基本結構與組成3

1.1電力傳動控制系統的基本結構

和共性問題3

1.1.1電力傳動控制系統的組成與分類3

1.1.2電力傳動控制系統的共性問題4

1.2電動機的主要類型與調速方法4

1.2.1直流電動機及其調速方法4

1.2.2交流電動機及其調速方法6

1.3電力電子變流器的結構與類型8

1.3.1直流輸出變換器9

1.3.2交流輸出變換器14

1.4電力傳動控制系統的檢測方法27

1.4.1直接檢測方法27

1.4.2信號處理31

1.4.3狀態觀測和參數估計35

1.5電力傳動控制系統的控制

與分析方法36

1.5.1電力傳動控制系統的

要求和指標36

1.5.2PID控制器38

1.5.3先進控制方法40

1.5.4系統分析和仿真40

本章小結41

思考題與習題41

第2章電力傳動系統的模型43

2.1直流電動機的模型43

2.2統一電機理凳斷論模型44

2.2.1統一電機理論的基本思路44

2.2.2第一種原型電機45

2.2.3第二種原型電機48

2.2.4由統一電機理論建立的

直流電動機模型49

2.3交流電動機模型51

2.4坐標變換理論55

2.4.1線性變換簡介55

2.4.2坐標變換的原則及約束56

2.4.3Park變換56

2.5基於統一電機理論的交流

電動機建模60

2.5.1異步電動機模型變換60

2.5.2同步電動機模型64

2.6電力電子變流器的建模66

本章小結69

思考題與習題69

第3章直流傳動控制系統71

3.1開環直流調速系統的組成與

主要問題71

3.1.1開環直流調速系統的蒸記灑組成71

3.1.2開環直流調速系統的主要問題71

3.1.3開環系統的靜特性計算74

3.2轉速閉環直流調速系統74

3.2.1轉速閉環直流調速系統的組成74

3.2.2轉速閉環直流調速系統的

穩態分析75

3.2.3反饋控制閉環直流調速系統的

動態分析和設計78

3.2.4比例積分控制規律和無靜差

調速系統82

3.3轉速、電流雙閉環直流調速系統84

3.3.1直流電動機起動的要求及

控制策略84

3.3.2轉速、電流雙閉環直流調速系統府盼請的

結構85

3.3.3轉速、電流雙閉環直流調速系統的

穩態分析85

3.3.4轉速、電流雙閉滲戰祝籃環直流調速系統的

動態分析87

3.3.5轉妹充牛雄速和電流兩個調節器的作用89

*3.4直流調速系統的電壓與磁場

協調控制90

3.4.1直流電動機磁場控制的問題90

3.4.2直流電動機的電壓與磁場協調

控制策略90

3.4.3電壓與磁場協調控制的直流調速

系統結構與控制原理92

3.5直流調速系統的可逆控制93

3.5.1可逆控制的主要問題93

3.5.2無環流控制的可逆直流

調速系統97

*3.5.3有環流控制的可逆直流

調速系統101

3.6直流調速系統的MATLAB仿真104

本章小結姜料付107

思考題與習題108

電力傳動控制系統

第4章交流傳動控制系體夜設統109

4.1異步電動機的變壓控制系統109

4.1.1異步電動機在任意旋轉坐標系

上的動態等效電路109

4.1.2異步電動機的變壓控制系統110

4.1.3轉速反饋閉環控制的異步

電動機變壓調速系統112

4.1.4變壓控制在異步電動機軟

起動中的套用113

4.2異步電動機的變壓變頻控制系統116

4.2.1變壓變頻調速的控制模式及

其機械特性116

4.2.2轉速開環恆壓頻比控制的

調速系統120

4.2.3轉速閉環恆定子電動勢頻比

控制的調速系統122

4.2.4按轉子磁場定向的矢量控制

系統123

4.2.5按定子磁鏈控制的直接轉矩

控制系統129

4.3繞線轉子異步電動機的雙饋

控制系統132

4.3.1繞線轉子異步電動機雙饋控制的

基本原理和運行模式132

4.3.2繞線轉子異步電動機的次同步轉速

調速——串級調速系統134

4.3.3繞線轉子異步電動機的超同步轉速

調速——雙饋調速系統137

4.4同步電動機控制系統139

4.4.1同步電動機在旋轉坐標系的動態

等效電路及方程140

4.4.2同步電動機按定子磁鏈定向的矢量

控制調速系統141

4.4.3永磁同步電動機按轉子位置定向的

矢量控制系統144

4.4.4直流無刷同步電動機控制系統146

本章小結149

思考題與習題149

第5章電力傳動控制系統的分析

與設計151

5.1電力傳動控制系統的性能指標151

5.1.1電力傳動控制系統的控制要求151

5.1.2電力傳動控制系統的穩態

性能指標151

5.1.3電力傳動控制系統的動態

性能指標152

5.2電力傳動控制系統的設計方法153

5.2.1系統設計的基本原理和方法153

5.2.2調節器最佳整定設計法155

5.2.3基於典型系統的工程

設計方法\[1\]157

*5.2.4數字控制系統的設計方法163

5.3基於MATLAB的系統仿真方法168

5.3.1MATLAB的Simulink仿真

平台168

5.3.2電力傳動控制系統的MATLAB

仿真舉例169

本章小結175

思考題與習題176

參考文獻177常用符號表

1.元件和裝置用的文字元號

A放大器、調節器，電樞繞組，A相繞組M電動機（總稱）ACR電流調節器MA異步電動機A/D模數轉換器MD直流電動機AE電動勢運算器MS同步電動機AER電動勢調節器P/D脈衝數字轉換器AFR勵磁電流調節器PG脈衝發生器AR反號器PR極性轉換器ASR轉速調節器R電阻AΨR磁鏈調節器RP電位器B非電量電量變換器，B相繞組S開關器件BQ位置感測器,轉子位置檢測器SA控制開關，選擇開關C電容器，C相繞組，補償繞組SE轉速編碼器CPU中央處理器ST飽和限制環節D數字積體電路和器件，整流二極體T變壓器D/A數模轉換器TA電流互感器，霍爾電流感測器DLC邏輯控制環節TG測速發電機F勵磁繞組TVC雙向晶閘管交流調壓器FA具有瞬時動作的限流保護TVD直流電壓隔離變換器FBC電流反饋環節U變換器，調製器FBS測速反饋環節UCR可控整流器FC頻率控制器UCH直流斬波器FG函式發生器UI逆變器G發電機UPWPWM波生成環節GD驅動電路UR整流器GT觸發裝置V晶閘管整流裝置GTF正組觸發裝置VBT電晶體GTR反組觸發裝置VCO壓控振盪器I/O輸入輸出接口VD二極體，續流二極體HBC滯環控制器VF正組晶閘管整流裝置K繼電器，接觸器VR反組晶閘管整流裝置L電感器，電抗器VST穩壓管LED發光二極體VT晶閘管,功率開關器件

2.常用縮寫符號

AC交流電（Alternating Current）ANN人工神經網路（Artificial Neural Networks）APF有源電力濾波器（Active Power Filters）BJT雙極性電晶體（Bipolar Junction Transistor）CHBPWM電流滯環跟蹤PWM（Current Hysteresis Band PWM）CSI電流（源）型逆變器（Current Source Inverter）CVCF恆壓恆頻（Constant Voltage Constant Frequency）DC直流電（Direct Current）DF位移因數（Displacement Factor）DSP數位訊號處理器（Digital Signal Processor）DTC直接轉矩控制系統（Direct Torque Control）GTO門極關斷晶閘管（Gate Turnoff Thyristor）EMI電磁干擾（Electromagnetic Interference）FFT快速傅立葉變換（Fast Fourier Transform）IGBT絕緣柵雙極型電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor）IGCT絕緣柵雙極型晶閘管（Insulated Gate Commutated Thyristor）PD比例微分（Proportion, Differentiation）PF功率因數（Power Factor）PFC功率因數校正（Power Factor Correction）PID比例積分微分（Proportion, Integration, Differentiation）PLL鎖相環（Phase Lock Loops）PMOSFET場效應電晶體（Power MOS Field Effect Transistor）PWM脈寬調製（Pulse Width Modulation）SHEPWM消除指定次數諧波的PWM（Selected Harmonics Elimination PWM）SOA安全工作區（Safe Operation Area）SPWM正弦波脈寬調製（Sinusoidal PWM）SVPWM電壓空間矢量（Space Vector PWM）THD總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion）VC矢量控制（Vector Control）VR矢量旋轉變換器（Vector Rotator）VSI電壓（源）型逆變器（Voltage Source Inverter）VVVF變壓變頻（Variable Voltage Variable Frequency）

常用符號表

電力傳動控制系統——運動控制系統

3.常見下角標

AA相定子繞組

a電樞繞組（armature）；a相轉子繞組

add附加（additional）

av平均值（average）

BB相定子繞組

bb相轉子繞組；偏壓（bias）；基準（basic）

bl堵轉；封鎖（block）

CC相定子繞組,補償繞組

cc相轉子繞組；環流（circulating）；控制（control）

cl閉環（closed loop）

com比較（compare）；複合（combination）

cr臨界（critical）

d直流（direct current）；d軸（direct axis）

D微分（differential）

e電（electricity）；電源（electric source）

em電磁的（electricmagnetic）

f磁場（field）；正向（forward）；反饋（feedback）

g氣隙（gap）；柵極（gate）

I積分（integral）

in輸入（input）

L負載（Load）

l線值（line）；漏感（leakage）

lim極限，限制（limit）

m磁的（magnetic）；主要部分（main）

m機械的（mechanical）；幅值

max最大值（maximum）

min最小值（minimum）

N額定值，標稱值（nominal）

off斷開（off）

on閉合（on）

op開環（open loop）

out輸出（out）

p磁極（poles）；峰值（peak）

P比例（proportion）；有功功率

qq軸（quadrature axis）

Q無功功率

r轉子（rotator）；上升（rise）；反向（reverse）

ref參考（reference）

rec整流器（rectifier）

s定子（stator）；串聯（series）

sam採樣（sampling）

sl轉差（slip）

ss穩態（steady state）

st起動（starting）

sy同步（synchronous）

t觸發（trigger）；三角波（triangular wave）

T轉矩（torque）

W線圈，繞組（winding）

∞穩態值，無窮大處（infinity）

4.參數和物理量符號

A散熱係數

a線加速度；特徵方程係數

B磁通密度

C電容

Ce他勵直流電動機在額定磁通的電動勢係數

CT他勵直流電動機在額定磁通的轉矩係數

D調速範圍；摩擦轉矩阻尼係數

E,e感應電動勢（大寫為平均值或有效值，小寫為瞬時值，下同）；誤差

Ea,ea直流電機電樞感應電動勢,反電動勢

Eadd,eadd附加電動勢

ed檢測誤差

es系統誤差

E2,e2變壓器二次繞組感應電動勢

Er,E·r交流電機轉子感應電動勢

E′r,E·′r交流電機轉子折算感應電動勢

Er0,E·r0交流電機轉子靜止電動勢

Es,E·s交流電機定子感應電動勢

Esσ,E·sσ交流電機定子漏磁電動勢

F磁動勢,擾動量

f頻率

fe電源頻率

fM調製信號頻率

fr交流電機轉子頻率

fsl交流電機轉差頻率

fs交流電機定子頻率

fsw開關頻率

fT載波信號頻率

G重力；運動電動勢係數；傳遞函式

G(s)開環傳遞函式

Gcl(s)閉環傳遞函式

g重力加速度

GD2飛輪慣量

GM增益裕度

h開環對數頻率特性中頻寬，滯環寬度

H風機的風壓；水泵的揚程

I,i電流（大寫為平均值或有效值，小寫為瞬時值，下同）

Ia，ia電樞電流

Id，id整流電流，直流平均電流

IdL直流負載電流

IF,iF勵磁電流

I·m,im交流電機勵磁電流

I·2,i2變壓器二次側電流

I·L,iL負載電流

I·N,iN額定電流

I·r,ir交流電機轉子電流

I·′r,i′r交流電機轉子折算電流

I·s,is交流電機定子電流

I·st,ist電機起動電流

J轉動慣量

j傳動機構減速比

K係數，常數，比值

Ke直流電機電動勢結構常數

KD，kD微分係數

KI，kI積分係數

KP，kP比例放大係數

Ki電流檢測環節比值，電流反饋係數

Km電機結構常數

Kn轉速檢測環節比值，轉速反饋係數

Ks電力電子變流器放大係數

KT直流電機轉矩結構常數，起動轉矩倍數

k諧波次數；振盪次數

ki電流比；起動電流倍數

kN繞組係數

L電感

Ll漏感

Lm互感

M閉環系統頻率特性幅值；PWM調製比

Mr閉環系統頻率特性峰值

m質量；相數；脈衝數；檢測值

N繞組匝數；載波比；計數值

n轉速

n0理想空載轉速，同步轉速

np極對數

P功率

Pem電磁功率

PL負載功率

Pm機械功率

PN額定功率

PG電網功率

Psl轉差功率

p=ddt微分運算元

Q無功功率；熱量；流量

R電阻；電樞迴路總電阻

Ra直流電機電樞電阻

Rb鎮流電阻，泄流電阻

Rf勵磁電阻；反饋電阻

R0運算放大器輸入電阻

Rr，R′r轉子繞組電阻及折算

Rrec整流裝置內阻

Rs定子繞組電阻

r參考變數；控制指令

S視在功率；面積；開關狀態

s轉差率；Laplace變數

T轉矩；時間常數；開關周期

Tc電力電子開關周期，定時或計數時間

Td檢測環節的時間常數

Te電磁轉矩

Tem最大電磁轉矩

Tfl濾波時間常數

Tl電樞迴路電磁時間常數

TL負載轉矩

Tm機電時間常數

TN額定轉矩

Tr轉子電磁時間常數

Tst起動轉矩

Ts電力電子變流器平均失控時間，電力電子變流器滯後時間常數

Tsam採樣周期

Tsw電力電子器件開關時間

TT載波信號周期

t時間

tm最大動態降落時間

ton開通時間

toff關斷時間

tp峰值時間

tr上升時間

ts調節時間

tv恢復時間

U,u,u電壓，電源電壓（大寫為平均值或有效值，小寫為瞬時值，黑體為矢量，下同）

U2,u2變壓器二次電壓

Ua直流電機電樞電壓

Uc控制電壓

Ud整流電壓、直流平均電壓

Ud0,ud0理想空載整流電壓

Uf,uf勵磁電壓

Ug柵極驅動電壓，

Um峰值電壓

uM調製波電壓

UN,uN額定電壓

Ur,ur交流電機轉子電壓

U′r,u′r交流電機轉子折算電壓

Us,us電源電壓,交流電機定子電壓

us空間電壓矢量

uT三角載波電壓

U*x,Ux變數x的給定和反饋電壓（x可用變數符號替代）

v速度，線速度；轉換變數

ww變換的變數

W能量

x位移,距離

X電抗

Xr，X′r轉子繞組旋轉漏電抗及折算

y,Y系統輸出變數

zz變換的變數

Z電阻抗

α可控整流器的觸發延遲角

β可控整流器的逆變角；機械特性的斜率

γ相角裕度；PWM電壓係數

δ放大係數；靜差率

Δn轉速降落

Δp功率損耗

ΔU電壓差

Δθm相角差

ξ阻尼比

η效率

θ電角位移；相位角；可控整流器的導通角

θm機械角位移

λ電機允許過載倍數

ρ占空比；電位器的分壓係數

σ漏磁係數；轉差功率損耗係數

σ%超調量

τ時間常數，積分時間常數，微分時間常數

Φ磁通

Φm每極氣隙磁通

ΦN額定磁通

Φr轉子磁通

Φrs定、轉子合成磁通

Φs定子磁通

φ相位角；阻抗角

Ψ,ψ磁鏈

Ψm互動磁鏈

ω角轉速，角頻率

ωb閉環頻率特性頻寬

ωc開環頻率特性截止頻率

ωe電角頻率

ωm機械角轉速

ωn二階系統的自然振盪頻率

ωr轉子角轉速，角頻率

ωs定子角轉速（頻率）；同步角轉速（頻率）

ωsl轉差角轉速，角頻率

電力傳動控制系統——運動控制系統

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