电力传动控制系统

本书是普通高等教育电气工程、自动化系列规划教材。为适应当前教育改革和学科发展的需要，在“电力传动控制系统”课程传统教材的基础上，根据当前电力传动控制技术的近期新发展，对该课程教材进行了重组、扩展和深化。全书分为3篇，按上下两册出版，上册为基础篇，下册为提高篇及应用篇。
基础篇共有6章，重点介绍电力传动控制系统的基本结构、原理与方法。靠前章介绍了电力传动系统的基本组成和共性问题，包括系统基本结构与组成，电动机、传感器和控制器的基本概念及原理。第2章概要地介绍了电力传动系统常用的各种变换器的拓扑结构及其变流方法。第3章以稳态等效电路为基础，建立了各种电动机的数学模型，并构建了电力传动系统各环节的数学模型。第4章专门分析和讨论了直流电力传动系统的控制，包括系统控制原理、结构和运行特性等内容。第5章为基于稳态模型的交流传动控制系统，包括异步电动机和同步电动机的控制原理、系统结构和运行特性等内容。第6章介绍了电力传动控制系统的设计方法。
本书适用于普通高等学校电气工程及其自动化专业本科教材。基础篇的内容精炼，概念清晰，论述浅显，特别适用于少学时学校的课程教学，也可用于控制、机械和电子工程等非电气工程专业，并可作为职工大学、夜大学以及大专院校有关专业的教材，也可供有关工程技术人员阅读和参考。

前言
常用符号表
绪论
第1章电力传动控制系统的基本结构与
组成
1.1电力传动控制系统的基本结构和共同问题
1.1.1电力传动控制系统的组成与分类
1.1.2电力传动控制系统的共同问题
1.2电动机的主要类型与调速方法
1.2.1直流电动机及其调速方法
1.2.2交流电动机及其调速方法
1.3电力传动系统的信号检测
1.3.1直接检测方法
1.3.2信号处理
1.3.3频率和相位的数字检测
1.4电力传动控制系统的控制与分析
1.4.1电力传动控制的要求和指标
1.4.2PID控制器
1.4.3先进控制方法
1.4.4系统分析和仿真
本章小结
思考题与习题
第2章电力传动系统的电源变换
2.1电力电子变流器的结构与分类
2.2直流变换器
2.2.1相控整流器
2.2.2直流斩波器
2.2.3PWM整流器
2.3交流变换器
2.3.1交-直-交变频器
2.3.2交-交变频器
2.4电力电子变换器的设计与选型
2.4.1电力电子变换器的设计
2.4.2电力电子变换器的选型
本章小结
思考题与习题
第3章电力传动系统的稳态模型
3.1稳态模型概念和建模方法
3.2直流电动机的数学模型
3.2.1他励直流电动机的等效电路
3.2.2他励直流电动机的静态模型与特性
3.2.3他励直流电动机的动态模型
3.3交流异步电动机的数学模型
3.3.1异步电动机的基本结构与工作原理
3.3.2异步电动机的稳态等效电路与静特性
3.3.3异步电动机的稳态模型
3.4交流同步电动机的稳态模型
3.4.1同步电动机基本结构与工作原理
3.4.2同步电动机的稳态等效电路与模型
3.5电力电子变换器的稳态模型
本章小结
思考题与习题
第4章直流调速系统
4.1开环直流调速系统的组成与主要问题
4.1.1开环直流调速系统的组成
4.1.2开环直流调速系统的主要问题
4.1.3开环系统的静特性计算
4.2转速闭环直流调速系统
4.2.1转速闭环直流调速系统的组成
4.2.2转速闭环直流调速系统的稳态分析
4.2.3反馈控制闭环直流调速系统的动态分析和设计
……
第5章交流异步电动机的基本控制方法
第6章电力传动控制系统的分析与设计
参考文献

基础篇前言我编写的普通高等教育自动化专业规划教材《电力传动控制系统》于2010年出版以来，由于体现了以电力传动系统的基本规律和共性问题为主线，利用电机原理、控制理论和电力电子技术等理论与工具，深入探讨系统结构、数学模型和控制策略，分析系统特性，给出系统设计方法和仿真试验结果的编写理念，在一些高校的使用中获得一定的好评，但也暴露出一些缺点和不足。
    随着近年来电力电子与电力传动技术的飞速发展和广泛应用，尤其在电气节能技术、可再生能源与电气化交通等技术需求下，原有的教材已不能适应时代的要求。为此，出版了这本《电力传动控制系统》教材，力图与时俱进，使教学能跟上技术发展的需要。
    在编写过程中，考虑到目前各高校都在精简课程和学时，而原有的教材内容尚显繁杂艰深，教学和学习难度较大，从选材、内容安排到阐述方法等方面都作了一些新的尝试。全书分为3篇按两册出版，上册基础篇重点讲解电力传动控制系统的基本结构、基础知识和控制原理。下册的提高篇将以统一电机模型为基础，重点介绍交流传动系统的高性能控制方法；应用篇着重介绍近年来电力传动系统主要的应用领域与典型案例，使全书内容得到扩展和充实，而难点可以分散。
    本书为基础篇，共有6章，其特点是：
    第1章介绍了电力传动控制系统的基本组成和共性问题，包括系统基本结构与组成，电动机、传感器和控制器的基本概念及原理，作为全书的引导。
    第2章概要回顾和介绍了电力传动控制系统常用的电力电子变换器，重点分析了各种变换电路拓扑和变流控制方法，既可让学过“电力电子技术”课程的同学复习和巩固原先的知识，也可使没有电力电子知识基础的人学习和掌握电力传动所需的电能变换技术。
    第3章以稳态等效电路为基础，集中建立了交、直流电动机的稳态数学模型，并构建了电力传动系统各环节的数学模型。避免了初学者学习和掌握交流电机动态建模与坐标变换的困难。
    在前3章的基础上，第4章专门分析和讨论了直流电力拖动系统的控制，包括系统控制原理、结构和运行特性等内容。
    第5章探讨了基于稳态模型的交流拖动控制系统，包括异步电动机和同步电动机的基本控制原理、系统结构和运行特性等内容。为避免初学者在学习矢量控制系统方面的困难，仅简要介绍矢量控制的基本思想和方法，不做动态模型和坐标变换的推导，并适当介绍这些系统的应用场合和实例，以加深同学对学习内容的理解。
    第6章介绍了电力传动控制系统的设计方法，从经典设计方法存在的问题出发，论述了具有实用价值的工程设计方法；针对数字控制系统广泛应用的需求，探讨了采用数字频域法进行系统设计，试图得到与工程设计法相似的设计方法；进而利用MATLAB仿真工具，通过计算机模拟实现系统设计和仿真，并以系统举例，给出一些典型系统的设计和仿真实验结果。
    基础篇比较浅显易学，可供本科生和专科生学习，特别适合作为少学时的教材。主要内容的教学时数为36～54学时，各学校可根据各自教学大纲的需要选择内容和安排教学。本书试图突破传统的教学模式，按照电力传动控制系统的框架结构、数学建模、系统分析和设计的思路组织课程内容和进行教学。由于与传统教材有较大差异，建议任课老师可根据教学要求、课程时数和学生程度有所选择。比如：对于少学时课程，可以选择第1~5章的主要内容组织教学和学习，第6章电力传动控制系统设计建议用于课程设计。在教学中，如果同学已事先学过“电力电子技术”“检测技术”“计算计控制”等课程，第1、2章中有关内容可以跳过或只作简单的回顾，有些电力电子技术的深入内容也可略去不讲；在第3章中，主要以直流电动机调压控制为主，可为学习电力传动控制系统的基本结构、控制方法以及系统分析和设计思路奠定基础，有些较深入的内容仅供选用；第5章也是以交流异步电动机变压变频控制为主，其他调速方法或系统可根据需要选择。
    本书由上海海事大学汤天浩教授主编，参加编写的有上海海事大学谢卫教授。谢卫教授以他在电机理论方面的深厚造诣，编写了第3章中的电动机建模，并负责电子课件的制作。汤天浩教授编写了第1～2章和第4～6章，并负责全书的统稿。
    本书的编写还得到上海海事大学的大力支持，韩金刚博士和研究生沈扬、陈雯洁等在MATLAB的Simulink仿真平台，设计和建立了部分系统的仿真模型并进行了仿真实验，在此谨向他们的辛勤工作表示感谢。
    本书由上海大学陈伯时教授担任主审。作为作者的博士生导师和学术领路人，陈教授自始至终关心和指导着本书全过程的编写，从编写大纲的拟定到内容的选取以及表述的方式，都提出了许多宝贵意见。特别是有关调节器设计的工程设计法，就是陈教授多年悉心研究和总结的成果，本书几乎全盘照搬。在审稿过程中，陈教授仔细审阅了书稿，并在许多内容上作了逐字逐句的修改，本人对此表示衷心的感谢。
    由于本人水平有限，本书仍会存在许多缺点和不足，恳请广大读者批评指正。
    汤天浩于上海