现代交流调速技术
出版时间：2005
内容简介
　　本书以介绍现代交流调速技术为宗旨，着眼于实际应用技术并兼顾到今后的发展趋势。全书共9章，第1章介绍了国内外交流调速技术的概况与发展趋势、交流调速方法及主要应用领域。第2章介绍各种电力电子器件的工作原理、主要参数、驱动电路与保护技术。第3～5章分别介绍了各种交－直－交变频器、交－交变频器及其组成的变频调速系统。第6章介绍了矢量控制基本原理和异步电动机、同步电动机的矢量控制技术。第7～9章分别介绍了各种电动机的不同类型调速系统的基本原理、特性、控制方法及设计计算实例。本书可供从事电气传动、电气自动化、机电一体化的研究开发、生产、运行和维护的科技人员参考，也可供大专院校相关专业的教师、研究生及高年级的学生阅读。片断：随着新型电力电子器件的不断涌现，变频技术获得飞速发展。以普通晶闸管构成的方波形逆变器被全控型高频率开关器件组成的脉宽调制（PWM）逆变器取代后，SPWM逆变器及其专用芯片得到了普遍应用。磁通跟踪型PWM逆变器以不同的开关模式在电机中产生的实际磁通去逼近定子磁链的给定轨迹——理想磁通圆，即用空间电压矢量方法决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。由于控制简单、数字化方便，已呈现出取代传统SPWM的趋势。电流跟踪型PWM逆变器为电流控制型的电压源逆变器，兼有电压和电流控制型逆变器的优点，滞环电流跟踪型PWM逆变器更因其电流动态响应快、实现方便，受到重视。目前，随着器件开关频率的提高，并借助于控制模式的优化以消除指定谐波，已使PWM逆变器的输出波形非常逼近正弦波。但在电网侧，尽管以不控整流器取代了相控整流器，使基波功率因数（位移因数）接近于1，然而电流谐波分量大，总功率因数仍很低，消除对电网的谐波污染并提高功率因数已构成变频技术不可回避的问题。为此，PWM整流技术的研究、新型单位功率因数变流器的开发，在国外已引起广泛关注。PWM逆变器工作频率的进一步提高将受到开关损耗的限制，特别是大功率逆变器，工作频率不取决于器件开关速度而受限于开关损耗。近年研究出的谐振型逆变器是一种新型软开关逆变器，由于应用谐振技术使功率开关在零电压或零电流下进行开关状态转换，开关损耗几乎为零，使效率提高、体积减小、重量减轻、成本降低，是很有发展前景的变频器。在变频技术日新月异地发展的同时，交流电动机控制技术取得了突破性进展。由于交流电动机是多变量、强耦合的非线性系统，与直流电动机相比，转矩控制要困难得多。70年代初提出的矢量控制理论解决了交流电动机的转矩控制问题，应用坐标变换将三相系统等效为两相系统，再经过按转子磁场定向的同步旋转变换实现了定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到对交流电动机的磁链和电流分别控制的目的。这样就可以将一台三相异步电动机等效为直流电动机来控制，因而获得了与直流调速系统同样优良的静、动态性能，开创了交流调速与直流调速相竞争的时代。直接转矩控制是80年代中期提出的又一转矩控制方法，其思路是把电机与逆变器看作一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁通、转矩计算，通过磁通跟踪型PWM逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无须对定子电流进行解耦，免去了矢量变换的复杂计算，控制结构简单，便于实现全数字化，目前正受到各国学者的重视。近10多年来，各国学者致力于无速度传感器控制系统的研究，利用检测定子电压、电流等容易测量的物理量进行速度估算以取代速度传感器。其关键在于在线获取速度信息，在保证较高控制精度的同时，满足实时控制要求。速度估算的方法，除了根据数学模型计算电动机转速外，目前应用较多的有模型参考自适应法和扩展卡尔曼滤波法。无传感器控制技术不需要检测硬件，也免去了传感器带来的环境适应性、安装维护等麻烦，提高了系统可靠性，降低了成本，因而引起了广泛兴趣。微处理机引入控制系统，促进了模拟控制系统向数字控制系统的转化。数字化技术使得复杂的矢量控制得以实现，大大简化了硬件，降低了成本，提高了控制精度，而自诊断功能和自调试功能的实现又进一步提高了系统可靠性，节约了大量人力和时间，操作、维修都更加方便。微机运算速度的提高、存储器的大容量化，将进一步促进数字控制系统取代模拟控制系统，数字化已成为控制技术的方向。本书前言前言随着新型自关断电力电子器件、智能功率集成电路的问世，现代控制理论的发展和计算机技术的应用，变频技术日新月异，新的控制策略不断涌现，现代交流调速技术迈上了新的台阶。目前，它已在冶金、机械、电气牵引、纺织、食品等各个方面得到普遍应用，几乎遍及国民经济各部门的传动领域，交流调速已经进入了逐步取代直流调速的时代。本书的宗旨是，着眼于实用技术，并兼顾到发展趋势。考虑到实际应用的需要，介绍了构成交流调速系统主电路的电力电子器件，着重于目前已经实用化的IGBT、GTO晶闸管、GTR、MOSFET等。同时，还介绍了极有发展前景的综合了晶闸管和MOSFET特性的大功率、高频功率器件——MOS控制晶闸管（MCT）和智能功率模块（IPM），考虑到大功率交－交变频的需要，对晶闸管也作了必要的介绍。变频技术方面，从阐明基本逆变电路出发，着重介绍了广泛应用的PWM变频器的各种形式，包括SPWM、电流跟踪型PWM、磁通跟踪型PWM等。其中，对磁通跟踪型PWM（即SVPWM）的控制方式和波形优化技术的介绍尤为深入。同时，又以相当的篇幅介绍了新型软开关逆变器——谐振直流环节逆变器的基本原理、电路拓朴结构及其构成的调速系统。控制技术方面，在电压频率协调控制、转差频率控制的基础上，从介绍高性能交流调速系统不可缺少的矢量控制技术入手，深入分析了异步电动机的5种瞬态等效电路的相互关系及应用，并把瞬态等效电路和稳态等效电路统一起来。调速系统方面，在笼型异步电动机变频调速、绕线转子异步电动机双馈及串级调速、自控式同步电动机——无换向器电动机调速系统的基础上，增加了目前正异军突起、引起广泛关注的开关磁阻电动机调速系统，并从实用角度出发，给出了各种不同类型调速系统的设计举例。全书共9章，第1章介绍了国内外交流调速技术概况与发展趋势、交流调速方法及主要应用领域。第2章介绍了各种电力电子器件的工作原理、主要参数、驱动电路与保护技术。第3～5章分别介绍了各种交－直－交变频器、交－交变频器及其组成的变频调速系统。第6章介绍了矢量控制基本原理和异步电动机、同步电动机的矢量控制技术。第7～9章分别介绍了各种电动机的不同类型调速系统的基本原理、特性、控制方法及设计计算实例。本书由胡崇岳主编，参加各章编写工作的有胡崇岳（第1、3章）、王志良（第2章）、王凤翔（第4章）、王自强（第5章及附录）、周明宝（第6章）、谈德璋、国忠锋（第7章）、李兆杰、陈明德（第8章）、高超（第9章），全书由胡崇岳统稿，陈明德同志支持本书的编写并审阅了书稿。在本书的编写、定稿过程中，得到中国自动化学会电气自动化专业委员会、中国电工技术学会机电一体化专业委员会、中国科学院电工所和作者所在单位的各专家、教授的大力支持和帮助，并提出许多宝贵意见，在此表示衷心感谢。编写过程中，参阅和利用了国内外大量文献、资料，在此对原作者一并致谢。限于作者水平，加上时间仓促，缺点、错误在所难免，热诚欢迎广大读者批评指正编著者
目录
目 录
前言
第1章 概论
1.1交流调速技术发展的概况与趋势
1.2交流调速方法
1.2.1异步电动机
1.2.2同步电动机
1.3交流调速的主要应用领域
第2章 电力电子器件
2.1半控型电力电子器件——晶闸管
2.1.1晶闸管的工作原理 特性与参数
2.1.2晶闸管的触发电路 并联与保护技术
2.2门极关断晶闸管（GTO晶闸管）
2.2.1GTO的结构与工作原理
2.2.2GTO的主要参数特性
2.2.3GTO的门极驱动电路
2.3功率晶体管（GTR）
2.3.1功率晶体管的开关特性
2.3.2GTR.的驱动电路
2.3.3GTR的保护电路
2.4功率MOS场效应晶体管（功率MOSFET）
2.4.1功率MOSFET的主要参数特性
2.4.2功率MOSFET的驱动电路
2.4.3功率MOSFET的保护技术
2.5绝缘栅双极晶体管（IGBT）
2.5.1IGBT的基本结构
2.5.2IGBT的工作原理和工作特性
2.5.3IGBT的擎住效应与安全工作区
2.5.41GBT的驱动与保护技术
2.6MOS控制晶闸管（MCT）
2.6.1MCT的结构原理及工作特性
2.6.2MCT与其他器件的比较
2.7功率集成电路（PIC）
2.7.1PIC技术
2.7.2智能功率模块（IPM）
第3章 交－直－交变频调速系统
3.1交－直－交变频器的基本电路
3.1.1交直－交电压型变频器
3.1.2交－直－交电流型变频器
3.2基本变频电路的多重化技术
3.3脉宽调制型变频器
3.4谐振型变频器
3.4.1谐振直流环节逆变器的基本原理
3.4.2谐振直流环节逆变电路举例
3.5电压 频率协调控制的交－直－交变频调速系统
3.6转差频率控制的交－直－交变频调速系统
3.6.1转差频率控制原理
3.6.2转差频率控制的变频调速系统及其近似动态结构图
3.7谐振型变频调速系统
第4章 脉宽调制控制技术
4.1PWM调制方法与控制技术
4.1.1三角波调制法及其控制模式
4.1.2单极性与双极性PWM模式
4.2SPWM逆变器的控制技术
4.2.1SPWM逆变器及其控制模式
4.2.2具有消除谐波功能的SPWM控制模式的优化
4.2.3用于SPWM控制的专用芯片与微处理器
4.3电流跟踪型PWM逆变器的控制技术
4.3.1电流跟踪型PWM逆变器运行原理
4.3.2开关频率恒定的电流跟踪型PWM控制技术
4.4自控式（磁通跟踪式）PWM逆变器的控制技术
4.4.1自控式（磁通跟踪式）PWM逆变器运行原理
4.4.2开关模式选择与控制方式
4.4.3减小谐波影响的PWM波形优化控制
4.5PWM变频调速控制系统
4.5.1PWM逆变器的主电路与驱动电路
4.5.2反馈信号的测取
4.5.3PWM控制信号的产生
4.5.4IGBT－SPWM变频调速系统
第5章 交－交变频调速系统
5.1交－交变频器的基本原理
5.1.1工作原理
5.1.2运行方式
5.1.3主电路型式
5.1.4触发控制方法
5.1.5最高输出频率
5.1.6晶闸管的电压 电流容量
5.2交－交变频器的若干类型
5.2.1矩形电压波交－交变频器
5.2.2正弦电压波交－交变频器
5.2.3正弦电流波交－交变频器
5.3交—交变频调速系统应用实例
5.3.1无速度传感器的异步电机交-交变频矢量控制系统
5.3.2交-交变频同步电机磁场定向控制系统
5.3.3三相数控型交-交变频控制方案分析
第6章 矢量控制技术
6.1旋转矢量控制的概念与原理
6.2矢量变换规律
6.3异步电动机的数学模型
6.4间接法矢量控制
6.4.1电流模型法
6.4.2电压模型法
6.5异步电动机矢量控制框图
6.6异步电动机矢量控制中两个关键问题
6.6.1异步电动机5种等效电路
6.6.2用T-I型瞬态等效电路分析瞬态电磁转矩
6.6.3T-I型等效电路法在线实时检测异步电机转子时间常数
6.7同步电动机矢量控制
6.7.1永磁同步电动机矢量控制
6.7.2直流励磁凸极同步电动机矢量控制
第7章 绕线转子异步电动机双馈调速及串级调速系统
7.1绕线转子异步电动机双馈调速及串级调速的基本原理
7.1.1双馈调速及串级调速的基本概念
7.1.2双馈调速电动机的特点
7.1.3双馈调速电动机在各种工作状况下的能量关系
7.2绕线转子异步电动机串级调速系统
7.2.1串级调速系统的分类
7.2.2异步电动机在串级调速时的机械特性
7.2.3串级调速系统的能量指标
7.2.4串级调速系统的主电路设计
7.2.5串级调速时异步电动机的起动
7.3绕线转子异步电动机的双馈调速系统
7.3.1双馈调速系统的构成
7.3.2异步电动机在双馈调速时的机械特性
7.3.3双馈调速系统的效率和功率因数
7.3.4双馈调速异步电动机的矢量控制
7.3.5双馈调速系统的主电路设计
7.3.6双馈调速异步电动机的起动
第8章 无换向器电动机调速系统
8.1概述
8.2无换向器电动机的基本原理
8.2.1工作原理
8.2.2电磁转矩
8.2.3无换向器电动机的换相
8.3无换向器电动机调速系统的结构
8.4无换向器电动机的运行性能
8.4.1无换向器电动机的运行特性
8.4.2无换向器电动机的四象限运行
8.5交-直-交电流型无换向器电动机调速系统
8.5.1控制系统
8.5.2变频器主电路参数的选择与计算
8.6交-交电流型无换向器电动机调速系统
8.6.1控制系统
8.6.2变频器主电路参数的选择与计算
8.7交-交电压型无换向器电动机调速系统
8.7.1控制系统
8.7.2变频器主电路参数的选择与计算
8.8提高过载能力及抑制转矩脉动的措施
第9章 开关磁阻电动机调速系统
9.1概述
9.1.1开关磁阻电动机调速系统在变速传动系统中的地位
9.1.2系统的组成和工作原理
9.1.3系统的结构与性能特点
9.1.4典型系统简介
9.2开关磁阻电动机
9.2.1开关磁阻电动机的结构与分类
9.2.2开关磁阻电动机的转矩分析
9.2.3开关磁阻电动机的电流分析
9.3控制方式
9.3.1控制参数与电机性能
9.3.2起动与制动控制
9.3.3闭环调速系统的构成
9.4控制器
9.4.1功率电路
9.4.2控制电路
9.4.3主要参数检测
9.5设计举例
9.5.1小功率简易调速系统
9.5.2中功率通用调速系统
附录 电气传动系统仿真软件 (Saber）
参考文献