电机及其驱动：基本原理、类型与应用（原书第5版）

《电机及其驱动：基本原理、类型与应用（原书第5版）》全面介绍了电机及其驱动系统的相关内容，主要包括各类电机(直流电机、感应电机、同步电机、开关磁阻电机和步进电机)及其驱动系统的基本工作原理、运行特性的分析与计算，由各类电机所组成的驱动系统的调速、起动和制动方法，各类电机驱动器的典型拓扑结构与控制策略，电机及其驱动器的选用方法等。《电机及其驱动：基本原理、类型与应用（原书第5版）》内容通俗易懂、深入浅出，强调物理概念，文字简练流畅，且各章均包含有简介和习题，以方便读者阅读和加深理解。 《电机及其驱动：基本原理、类型与应用（原书第5版）》可作为电气工程专业本科生和研究生的专业基础教材，也可作为相关专业在电机及其驱动领域的入门性教材，还可作为相关专业技术人员的参考用书。

Austin Hughes，英国利兹大学创新电机及其驱动器研究团队的资深成员，以通俗易懂的写作风格而闻名，为包括学生、管理人员、技术人员和工程师等在内的广大读者群体深入理解电机复杂问题提供了帮助。 Bill Drury，英国注册工程师，英国工程技术学会会士，电力电子、电机及其驱动领域独立顾问，布里斯托大学创新客座教授，纽卡斯尔大学客座教授。他在西门子和劳斯莱斯从业长达45年，并在尼得科控制技术担任技术总监长达20年。

目录 译者序 前言 第1章 电机基础知识1 1.1简介1 1.2旋转运动的产生1 1.2.1磁场和磁通2 1.2.2磁通密度3 1.2.3导体受力4 1.3磁路5 1.3.1磁动势7 1.3.2磁路与电路类比7 1.3.3气隙8 1.3.4磁阻和气隙磁通密度9 1.3.5饱和10 1.3.6电机的磁路11 1.4转矩的产生12 1.4.1转矩的大小13 1.4.2开槽的作用14 1.5转矩和电机体积15 1.5.1单位电磁负荷15 1.5.2转矩和转子体积16 1.5.3输出功率——转速的重要性17 1.5.4功率密度（单位体积输出功率）18 1.6能量转换——运动电动势18 1.6.1原型电机——静止状态19 1.6.2功率——导体以恒定速度运动20 1.7等效电路22 1.7.1电动机运行和发电机运行22 1.8恒定电压状态运行23 1.8.1空载特性23 1.8.2负载特性25 1.8.3输入电压与感应电动势和效率的关系26 1.8.4原型电机的分析——结论27 1.9电机的一般特性28 1.9.1工作温度与冷却28 1.9.2转矩密度（单位体积转矩）28 1.9.3功率密度和效率——速度的重要性29 1.9.4尺寸影响——比转矩和效率29 1.9.5额定电压29 1.9.6短时过载29 1.10习题30 第2章 电机驱动用电力电子变换器31 2.1简介31 2.1.1电机驱动系统的总体架构32 2.2电压控制——直流供电、直流输出33 2.2.1开关控制34 2.2.2晶体管斩波器35 2.2.3感性负载斩波器——过电压保护37 2.2.4升压变换器39 2.3可控整流——交流供电、直流输出41 2.3.1晶闸管41 2.3.2单脉冲整流器42 2.3.3单相全控整流器——输出电压及控制43 2.3.4三相全控整流器47 2.3.5输出电压范围48 2.3.6触发电路49 2.4逆变器——直流供电、交流输出49 2.4.1单相逆变器49 2.4.2输出电压控制51 2.4.3三相逆变器56 2.4.4多电平逆变器58 2.4.5制动60 2.4.6有源前端60 2.5交-交变频61 2.5.1交-交变频器61 2.5.2矩阵变换器63 2.6逆变器开关器件64 2.6.1双极结型晶体管（BJT）65 2.6.2金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）65 2.6.3绝缘栅双极型晶体管（IGBT）66 2.7变频器的波形、噪声和冷却66 2.7.1开关器件的冷却——热阻66 2.7.2散热器和强制风冷67 2.8习题68 第3章 直流电机70 3.1简介70 3.2转矩产生机理72 3.2.1换向器的作用73 3.2.2换向器的工作原理74 3.3运动电动势76 3.3.1等效电路78 3.4直流电机的稳态性能79 3.4.1空载转速79 3.4.2性能计算示例80 3.4.3负载运行81 3.4.4额定转速和弱磁85 3.4.5电枢反应87 3.4.6最大输出功率87 3.5瞬态过程88 3.5.1动态响应和时间常数89 3.6四象限运行和再生制动91 3.6.1全速再生制动93 3.6.2能耗制动95 3.7并励和串励直流电机95 3.7.1并励直流电机稳态性能96 3.7.2串励直流电机稳态性能97 3.7.3通用电机99 3.8自励直流电机99 3.9微型电机101 3.10习题102 第4章 直流电机传动系统105 4.1简介105 4.2晶闸管直流驱动器概述105 4.2.1变换器驱动电机运行107 4.2.2直流电机的电流波形107 4.2.3断续电流109 4.2.4变换器输出阻抗与重叠角111 4.2.5四象限运行和逆变112 4.2.6单变换器反向驱动运行113 4.2.7双变换器反向驱动运行114 4.2.8功率因数和电源影响115 4.3直流传动控制系统115 4.3.1电流限制和保护117 4.3.2转矩控制118 4.3.3转速控制119 4.3.4全速域运行120 4.3.5电枢电压反馈和IR补偿121 4.3.6电流开环控制121 4.4斩波式直流电机驱动装置121 4.4.1直流斩波驱动器的性能122 4.4.2转矩转速特性和控制方法124 4.5直流伺服驱动系统124 4.5.1伺服电机124 4.5.2位置控制125 4.6数控驱动系统127 4.7习题127 第5章 感应电机的旋转磁场、转差率和转矩129 5.1简介129 5.1.1方法概述130 5.2旋转磁场130 5.2.1旋转磁场的产生132 5.2.2每相绕组磁场133 5.2.3三相合成磁场135 5.2.4旋转方向137 5.2.5主（气隙）磁通和漏磁通137 5.2.6旋转磁通幅值138 5.2.7励磁功率和视在功率140 5.2.8小结141 5.3转矩产生机理141 5.3.1转子结构141 5.3.2转差率143 5.3.3转子感应电动势和电流143 5.3.4转矩144 5.3.5转子电流和转矩——低转差率145 5.3.6转子电流和转矩——高转差率146 5.3.7发电运行——负转差率148 5.4转子电流对磁通的影响148 5.4.1转子电流对磁通的削弱149 5.5定子电流的转速特性150 5.6习题152 第6章 感应电机在50/60Hz电源下运行154 6.1简介154 6.2笼型感应电机的起动方法154 6.2.1直接起动154 6.2.2星形/三角形起动157 6.2.3自耦变压器起动157 6.2.4串电阻或电抗起动158 6.2.5固态软起动158 6.2.6变频器起动159 6.3加速和稳定运行160 6.3.1谐波效应——转子斜槽161 6.3.2大惯量负载——过热162 6.3.3稳态转子损耗和效率163 6.3.4稳态稳定性——失步转矩和失速163 6.4转矩-转速曲线——转子参数的影响164 6.4.1笼型转子164 6.4.2双笼型和深槽型转子165 6.4.3绕线转子感应电机的起动和加速167 6.5供电电压对转矩-转速曲线的影响167 6.6发电运行169 6.6.1发电运行区域169 6.6.2自励感应发电机170 6.6.3风力发电用双馈感应电机172 6.7制动174 6.7.1反接和反接制动174 6.7.2能耗制动175 6.8转速控制（不改变定子供电频率）175 6.8.1变极电机176 6.8.2高电阻笼型感应电机的调压调速176 6.8.3绕线转子感应电机的转速控制177 6.8.4转差能量的回馈177 6.9功率因数控制和能量优化178 6.10单相感应电机179 6.10.1运行原理179 6.10.2电容型单相电机180 6.10.3分相电机180 6.10.4罩极电机181 6.11功率范围182 6.11.1缩比——励磁问题182 6.12习题183 第7章 感应电机的变频运行185 7.1简介185 7.2变频运行186 7.2.1稳态运行——最大磁通的重要性187 7.2.2转矩-转速特性189 7.2.3变频器限制——恒转矩和恒功率区域190 7.2.4电机限制191 7.2.5四象限运行能力192 7.3变频器供电驱动系统的实际问题194 7.3.1PWM电压源型逆变器194 7.3.2电流源型逆变器196 7.3.3变频器供电驱动系统的性能197 7.4变频器对感应电机的影响200 7.4.1噪声200 7.4.2电机绝缘及长电缆线的影响201 7.4.3损耗及其对电机额定值的影响201 7.4.4轴电流203 7.4.5“变频器专用”感应电机203 7.5对公共电源的影响204 7.5.1谐波电流204 7.5.2功率因数207 7.6变频器和电机保护208 7.7习题209 第8章 感应电机的磁场定向控制210 8.1简介210 8.2基本方法211 8.2.1磁动势空间相量211 8.2.2坐标变换213 8.2.3瞬态和稳态电路214 8.3感应电机的电路模型216 8.3.1耦合电路、感应电动势和磁链216 8.3.2自感和互感217 8.3.3由电路模型推导转矩218 8.3.4转子电流推导218 8.4电流源供电条件下的电机稳态转矩219 8.4.1转矩与转差率——定子电流恒定221 8.4.2转矩与转差率——转子磁链恒定222 8.4.3定子电流的磁通分量和转矩分量224 8.5动态转矩控制224 8.5.1强耦合电路的特性225 8.5.2建立转子磁通228 8.5.3转矩控制机理229 8.6磁场定向控制的实现231 8.6.1PWM控制器/矢量调制器231 8.6.2转矩控制方案234 8.6.3瞬态运行237 8.6.4从静止状态起动237 8.6.5推导转子磁通角239 8.7直接转矩控制241 8.7.1控制原理242 8.7.2定子磁通控制和转矩控制243 8.8习题245 第9章 同步电机、永磁电机和磁阻电机及其驱动系统247 9.1简介247 9.2同步电机类型248 9.2.1转子电励磁电机250 9.2.2永磁电机250 9.2.3磁阻电机251 9.2.4磁滞电机252 9.3转矩产生机理252 9.3.1转子电励磁电机253 9.3.2永磁电机256 9.3.3磁阻电机257 9.3.4凸极转子电励磁同步电机262 9.3.5凸极永磁磁阻电机263 9.4同步电机的恒压恒频运行265 9.4.1转子电励磁电机266 9.4.2永磁电机270 9.4.3磁阻电机271 9.4.4凸极转子电励磁同步电机273 9.4.5工频起动274 9.5同步电机的变频运行275 9.5.1永磁电机相量图276 9.5.2调速和负载情况278 9.6同步电机驱动器281 9.6.1简介281 9.6.2转子电励磁电机283 9.6.3永磁电机289 9.6.4磁阻电机290 9.6.5凸极永磁电机292 9.7永磁电机的性能292 9.7.1永磁电机的优势292 9.7.2工业永磁电机293 9.7.3性能特点总结294 9.7.4无刷永磁电机的运行范围296 9.7.5无刷永磁发电机297 9.8永磁电机的新兴发展297 9.8.1多极永磁电机的优点298 9.8.2分段定子铁心和集中绕组299 9.8.3分数槽绕组299 9.9习题301 第10章 步进电机和开关磁阻电机303 10.1简介303 10.2步进电机304 10.2.1开环位置控制304 10.2.2脉冲指令信号的产生及电机响应305 10.2.3高速运行306 10.3步进电机的工作原理308 10.3.1可变磁阻型步进电机308 10.3.2混合型步进电机309 10.3.3小结312 10.4步进电机特性312 10.4.1静态转矩特性曲线312 10.4.2单步运行314 10.4.3定位误差和保持转矩314 10.4.4半步运行315 10.4.5细分运行——微步进316 10.5稳态特性——理想（恒流）驱动电路317 10.5.1驱动器的要求317 10.5.2恒定电流下的失步转矩318 10.6驱动电路和失步转矩-速度曲线320 10.6.1恒压驱动器321 10.6.2电流限制型驱动器322 10.6.3恒流斩波型驱动器323 10.6.4共振和不稳定性325 10.7瞬态性能326 10.7.1阶跃响应326 10.7.2起动326 10.7.3加速过程优化和闭环控制327 10.8开关磁阻电机驱动系统328 10.8.1工作原理329 10.8.2转矩预测和转矩控制330 10.8.3功率变换器和驱动系统特性331 10.9习题332 第11章 电机/驱动器的选择334 11.1简介334 11.2额定功率和功能334 11.3驱动系统特性338 11.3.1最高转速和转速范围339 11.4负载要求——转矩转速特性340 11.4.1恒转矩负载340 11.4.2惯量匹配344 11.4.3风机和水泵类负载344 11.5一般应用注意事项345 11.5.1再生运行和制动345 11.5.2工作制和额定功率345 11.5.3防护和冷却346 11.5.4尺寸标准347 11.5.5电源干扰和谐波347 11.6习题348 附录习题答案350