国际电气工程先进技术译丛 高性能交流传动系统 模型分析与控制.pdf

国际电气工程先进技术译丛高性能交流传动系统 模型分析与控制(印度)Mukhtar Ahmad 著刘天惠 张巍巍 石宽 柴青 陈丽颖 荣麒 董天舒 魏冠男 詹云 韩旭 译机 械 工 业 出 版 社 本书以综合的视角解读了高性能交流传动系统。全书共分 8 章，主要阐述了电气传动系统基本理论、异步电动机及同步电动机模型的建立、异步电动机传动系统的矢量控制、异步电动机的直接转矩控制和无速度传感器控制、永磁电动机的控制、开关磁阻电动机传动系统（SRM）、多相交流传动系统的控制、交流电动机的模糊控制和神经网络控制等。此外，还给出了相应的案例分析。全书各部分内容相互渗透，有机结合，有助于读者正确理解高性能交流传动系统。本书既可作为大专院校教师、研究生、本科类的教材使用，同时也可作为工业领域专业研发人员的参考资料。另外，本书针对无速度传感器控制及直接转矩控制方式的内容也可供专注于该领域的研究人员作为参考。Translation from the English language edition：“High Performance AC Drives：Modelling Analysis and Control”by Mukhtar Ahmad.Springer-Verlag London Limited 2010.Springer is a part of Springer Science Business Media.All Rights Reserved.本书中文简体字版由 Springer 授权机械工业出版社独家出版。版权所有，侵权必究。北京市版权局著作权合同登记 图字 01-2011-6869 号 图书在版编目（CIP）数据 高性能交流传动系统：模型分析与控制（印）阿哈默德（Ahmad，M.）著；刘天惠等译.北京：机械工业出版社，2014.4（国际电气工程先进技术译丛）书名原文：High performance AC drives：modellinganalysis and control ISBN 978-7-111-46224-8.高.阿刘.交流传动系统.TM921.2 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 055453 号 机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：江婧婧 版式设计：霍永明 责任校对：胡艳萍 责任印制：刘 岚 北京京丰印刷厂印刷2014 年 6 月第 1 版第 1 次印刷169mm 239mm10 印张194 千字0 0013 000 册标准书号：ISBN 978-7-111-46224-8定价：49.00 元 凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换 电话服务网络服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649教 材 网：http：机工官网：http：机工官博：http： cmp1952 读者购书热线：（010）88379203封面无防伪标均为盗版译者序伴随新型电力电子器件以及全数字信号处理器的出现，在工业领域内特别是在对传动系统调速性能要求较高的应用场合中，由调速装置驱动的各类交流电动机得到了越来越广泛的应用。本书作者以此为着眼点，针对各种类型的高性能交流传动系统进行了介绍和分析。全书内容涵盖广泛，涉及多种电动机类型，包括异步电动机、同步电动机、永磁电动机、开关磁阻电动机以及多相异步电动机等；根据各类电动机的不同特性，介绍了多种建模方式，包括各种电动机的静态模型、动态模型、空间矢量模型以及不同参考坐标系内的各类模型；针对不同系统配置和要求，介绍了多种控制方式，包括压频控制、磁通及转矩控制、矢量控制、无速度传感器控制以及弱磁控制等。此外，本书对于模糊控制以及神经网络控制等电气传动领域内新近引入的概念也都有所涉猎。由于书中对于各类概念、公式以及算法的介绍详尽且推导清晰，因此可以作为工业自动化和传动专业学生的辅助教材使用。同时，全书内容与工业应用结合紧密，始终以实际需求为出发点提出问题及解决方案，因而同样可以作为工业或科研领域内专业人员的参考资料。受限于译者本人的专业知识和英语水平，在全书翻译过程中难免出现谬误及疏漏，真诚地希望能够得到广大读者的及时指正。译 者前言对于大多数电气传动系统而言，调速性能都是最为重要的系统要求之一。在早期的工业应用中，只有直流电动机在运行中对调速控制的范围和精度有较高的要求，此类传动系统被称为高性能传动系统。传统的交流电动机由于其高耦合度的非线性特性，通过普通控制方式无法实现快速的动态响应。然而，由于近期新型电力电子器件以及数字信号处理器的引入，交流电动机也开始被更多地应用于高性能传动系统中。磁场控制方式及矢量控制方式使传统交流电动机的动态性能得到了根本性的改善。其中，矢量控制方式的出现，使异步或同步电动机的控制方式与分励式直流电动机的控制方式变得相似起来。最近，在人工智能领域方面的新技术也为电气传动系统的性能提升做出了贡献。本书以综合的视角解读高性能交流传动系统。它既可作为研究生类的教材使用，同时也可作为工业领域专业研发人员的参考资料。另外，本书针对无速度传感器控制及直接转矩控制方式的内容也可供专注于该领域的研究人员作为参考。书内包含了基于 MATLAB SIMULINK 对电气传动系统进行建模、分析及控制的应用实例。书中列举的若干基本原则使读者对高性能交流传动系统的本质有了更深入的理解。本书将针对无速度传感器控制的交流传动系统给予重点介绍，因为此类系统在具有低造价、高可靠性的同时兼具较好的控制性能。本书的主要内容分为 8 章进行阐述。第 1 章主要阐述了电气传动系统的基本理论、工业应用的基本要求以及不同负载的动态特性等基础知识。由于异步电动机是传动系统中最为常用的交流电动机，因此在第 2 章中着重讨论异步电动机建模的问题。在该章节中针对不同参考系中异步电动机的动态模型做了分析，同时还讨论了其状态空间模型在仿真运算中的应用。在第 3 章中，基于空间矢量控制方式，分别将异步和同步交流电动机的动态结构转化为相应的分励补偿直流电动机模型并加以分析。第 4 章着重讨论异步电动机的无速度传感器控制方式及直接转矩控制方式。第 5 章介绍了永磁同步电动机及无刷直流电动机的矢量控制以及直接转矩控制。由于上述两类电动机在工业领域中的应用越来越广泛，为此，在文中针对这两种电动机的控制策略分别进行了详尽的论述。在第 6 章中主要介绍开关磁阻电动机。开关磁阻电动机最早发明于 1850 年，自 1980 年以来在调速驱动的应用领域重新得到了越来越多的应用。开关磁阻电动机具有诸多优点，例如效率高、功率覆盖范围广、适应严酷工况等。本章中针对开关磁阻电动机的运行特点、配置方式、仿真及控制策略等进行了分析，特别针对无速度传感器运行时的控制策略做了介绍。第 7 章对不同应用场合中的多象限运行传动系统进行了讨论。第 8 章重点介绍高性能传动系统中运用到的模糊逻辑控制及神经网络控制方法。本书所涉及的理论及实例均为作者本人在印度阿里格尔 AMU 大学及马来西亚UPM 大学教授研究生课程时所用内容。我本人同时长期致力于高性能以及多象限运行传动系统领域的研究。衷心感谢电工学会主席团及 AMU 大学副校长支持我在教学之余完成此书。同时，衷心感谢我妻子 Maimoona 对我写作的支持与陪伴。Mukhtar Ahmad于印度阿里格尔前 言目录译者序前言第 1 章 绪论1 1.1 电气传动系统简介1 1.2 电动机1 1.3 电力电子变流器2 1.3.1 调速传动系统中的逆变器2 1.4 控制器3 1.5 负载3 1.5.1 典型负载的转矩-速度曲线3 1.6 负载的动态特性和稳态特性5 1.7 多象限运行系统7 1.8 工作制及电动机额定值7 1.9 问题9 参考文献10第 2 章 异步电动机及同步电动机模型的建立11 2.1 异步电动机的原理11 2.2 异步电动机的等效电路12 2.3 两相异步电动机的动态模型13 2.3.1 通过变换获得恒定的电感15 2.3.2 三相电动机的动态模型16 2.4 参考坐标系的选择18 2.4.1 任意参考坐标系内的建模18 2.5 其他参考坐标系内的建模20 2.5.1 定子参考坐标系模型21 2.5.2 转子参考坐标系模型21 2.5.3 同步旋转参考坐标系模型21 2.6 异步电动机的空间矢量模型22 2.7 异步电动机的速度控制28 2.8 状态空间模型28 2.9 同步电动机的建模31 2.9.1 非凸极式同步电动机中转矩的产生31 2.9.2 凸极式同步电动机33 2.10 同步电动机的动态模型34 2.11 同步电动机的空间矢量模型36 参考文献37第 3 章 异步电动机传动系统的矢量控制38 3.1 异步电动机的速度控制38 3.1.1 压频控制方式38 3.1.2 磁通及转矩控制方式39 3.2 矢量控制简介40 3.3 空间矢量41 3.4 空间矢量在不同参考坐标系间的变换42 3.5 矢量控制原理45 3.6 直接矢量控制47 3.6.1 直接转矩控制中的感应线电压及电流（转子磁通量）48 3.6.2 直接转矩控制中的定子磁通模型49 3.6.3 直接转矩控制中的感应电动势及电流50 3.7 采用空间矢量模型（VSM）的电压源型逆变器（VSI）的直接矢量控制51 3.7.1 转矩控制55 3.8 间接矢量控制或前馈控制55 3.9 案例分析60 参考文献61第 4 章 异步电动机的直接转矩控制及无传感器控制62 4.1 简介62 4.1.1 无传感器控制62 4.2 直接转矩控制基础63 4.2.1 转矩和磁通控制63 4.3 直接转矩控制的控制策略64 4.4 基于直接转矩控制方案的开关表68 4.4.1 直接自适应控制方案69 4.4.2 直接转矩控制的特点70 4.5 异步电动机的无传感器控制70 参考文献77目 录第 5 章 永磁电动机的控制78 5.1 简介78 5.2 电动机设计80 5.3 永磁电动机的模型81 5.4 无刷直流电动机的模型82 5.5 逆变器的驱动模式85 5.5.1 120开关模式86 5.5.2 电压和电流 PWM 控制模式86 5.5.3 半波逆变器电流控制86 5.6 PWM 逆变器的速度控制88 5.7 永磁同步电动机的矢量控制88 5.8 控制方式90 5.8.1 恒转矩角度控制91 5.8.2 单位功率因数控制91 5.8.3 每安培最大转矩控制92 5.8.4 弱磁控制93 5.9 永磁电动机的直接转矩控制93 5.10 永磁电动机的无传感器控制96 5.10.1 由测量的电压和电流获得位置96 5.10.2 由测量的电感变化获得位置97 5.11 无刷直流电动机的无传感器控制98 参考文献100第 6 章 开关磁阻电动机传动系统（SRM）101 6.1 简介101 6.2 结构101 6.2.1 线性开关磁阻电动机103 6.3 基本运行原理103 6.4 开关磁阻电动机的设计105 6.4.1 极数选择105 6.4.2 定子及转子极角的选择105 6.4.3 电动机尺寸的选择107 6.5 开关磁阻电动机用变换器107 6.5.1 非对称桥式变换器108 6.5.2 六开关变换器109 6.5.3 可变直流降压型变换器110 高性能交流传动系统 模型分析与控制 6.6 升降压型变换器114 6.7 开关磁阻电动机的解析模型115 6.8 开关磁阻电动机传动系统的控制116 6.9 带有速度 位置传感器的通用开关磁阻电动机驱动系统118 6.9.1 电流调节器的设计118 6.9.2 转矩控制119 6.10 开关磁阻电动机传动系统的直接转矩控制119 6.11 开关磁阻电动机传动系统的无传感器控制122 6.11.1 由电感变化得到的位置信息122 6.11.2 基于带有外部信号输入的电感测量估算方法123 参考文献124第 7 章 多相交流传动