电机控制技术

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《电机控制技术》主要介绍了各类电动机的控制技术及其相关技术的原理及应用，包括交、直流电动机的拖动与控制，现代交、直流传动控制系统，控制电机，同步发电机励磁控制，电动机智能控制技术，电动机及系统节能技术与应用等，融合了电动机、电力电子、微机原理技术。这些技术是电子及电气工程技术人员必备的。

《电机控制技术》共分9章，主要内容包括：电力传动系统动力学；直流电动机的原理及特性；交流电动机的原理及特性；控制电机的原理及特性；直流传动控制系统；交流传动控制系统；同步发电机的励磁控制；电动机智能控制技术及其应用；高效电动机与电动机系统节能技术及其应用。

《电机控制技术》适合电气工程与自动化、机械工程、过程控制、自动化等专业的本科生、研究生和教师作为教材和参考书。

书籍目录

前言第1章 概述1  1.1 电力传动系统的发展1    1.1.1 电力传动系统的构成及其特点1    1.1.2 电力传动系统的发展2  1.2 电力传动系统运动方程4    1.2.1 运动方程4    1.2.2 电力传动系统等效折算5  1.3 负载转矩和飞轮矩折算6    1.3.1 负载转矩的折算6    1.3.2 飞轮矩的折算8  1.4 电力传动系统的机械特性9    1.4.1 负载特性9    1.4.2 电动机机械特性10  1.5 电力传动系统稳定运行条件11    1.5.1 电力传动系统稳定的必要条件11    1.5.2 电力传动系统稳定的充分条件11    1.5.3 运行分析举例12  1.6 电动机控制系统设计13    1.6.1 电动机控制系统的发展13    1.6.2 电动机控制系统分类及其特点15  习题18第2章 直流电动机的原理及特性19  2.1 直流电动机的工作原理19    2.1.1 直流电动机的基本结构19    2.1.2 直流电动机的工作原理20  2.2 直流电动机的机械特性23    2.2.1 他励电动机的机械特性23    2.2.2 串励电动机的机械特性25    2.2.3 复励电动机的机械特性27    2.2.4 直流电动机的换向27  2.3 直流电动机的起动、调速、控制与运行状态28    2.3.1 直流电动机的起动28    2.3.2 直流电动机的调速29    2.3.3 直流电动机的控制31    2.3.4 直流电动机的运行状态35  习题36第3章 交流电动机的原理及特性38  3.1 三相异步电动机的工作原理38    3.1.1 三相异步电动机的基本结构38    3.1.2 三相异步电动机的基本原理41  3.2 三相异步电动机的机械特性45    3.2.1 三相异步电动机的机械特性表达式45    3.2.2 三相异步电动机的固有机械特性与人为机械特性48  3.3 三相异步电动机的起动、调速、控制与运行49    3.3.1 三相笼型及线绕转子异步电动机的起动49    3.3.2 三相异步电动机的调速55    3.3.3 三相异步电动机的控制60    3.3.4 三相异步电动机的运行状态63  3.4 单相异步电动机64    3.4.1 单相异步电动机的组成64    3.4.2 单相异步电动机的种类及特点64  3.5 同步电动机65    3.5.1 同步电动机的工作原理与机械特性65    3.5.2 同步电动机的起动方法66    3.5.3 功角特性与功率因数调节66  3.6 交直流电动机的特点及其发展67    3.6.1 交直流电动机的特点67    3.6.2 交流同步电动机的发展及应用69    3.6.3 开关磁阻电动机的驱动系统73  习题74第4章 控制电机的原理及特性76  4.1 伺服电动机76    4.1.1 直流伺服电动机76    4.1.2 交流伺服电动机77  4.2 力矩电动机78    4.2.1 直流力矩电动机的结构和工作原理78    4.2.2 直流力矩电动机的特点79  4.3 测速发电机80    4.3.1 直流测速发电机80    4.3.2 交流异步测速发电机81  4.4 自整角机82    4.4.1 力矩式自整角机的工作原理83    4.4.2 控制式自整角机的工作原理83  4.5 步进电动机85    4.5.1 步进电动机的基本结构、原理及运行方式85    4.5.2 步进电动机的运行特性与开环控制89    4.5.3 步进电动机的驱动控制电路93  习题95第5章 直流传动控制系统96  5.1 直流电动机调速系统的特性与优化96    5.1.1 电枢电阻的调速特性96    5.1.2 电枢电压的调速特性97  5.2 单闭环直流调速系统98    5.2.1 有静差调速系统98    5.2.2 无静差调速系统101  5.3 双闭环直流调速系统102    5.3.1 双闭环调速系统的组成102    5.3.2 双闭环调速系统的分析103    5.3.3 双闭环调速系统的设计105  5.4 可逆直流调速系统109    5.4.1 可逆直流调速中的环流及其控制方法109    5.4.2 电枢有环流可逆调速系统110    5.4.3 电枢逻辑无环流可逆调速系统114  5.5 直流脉宽调速系统115    5.5.1 脉宽调速系统的基本工作原理和特点116    5.5.2 脉宽调速系统的组成117    5.5.3 脉宽调速系统的分析120    5.5.4 脉宽调速系统的设计121  5.6 微机直流调速系统123    5.6.1 调速系统实现数字化的必要性123    5.6.2 微机直流调速系统的主要特点123    5.6.3 微机直流调速系统的硬件设计124    5.6.4 微机直流调速系统的软件设计125  习题127第6章 交流传动控制系统129  6.1 交流传动系统129    6.1.1 交流传动系统的发展129    6.1.2 交流传动系统的基本类型130  6.2 异步电动机的调速方法130    6.2.1 异步电动机调速方法的理论基础130    6.2.2 常用调速方法132    6.2.3 选择调速方式的基本依据133  6.3 异步电动机的变压变频调速控制134    6.3.1 变压变频调速的基本原理和控制方式135    6.3.2 变压变频器的基本组成和工作原理137    6.3.3 转速开环异步电动机的变频调速系统141    6.3.4 转速闭环异步电动机的变频调速系统143  6.4 异步电动机矢量变换控制145    6.4.1 矢量变换控制的基本原理145    6.4.2 坐标变换与矢量变换146    6.4.3 矢量变换控制调速系统149    6.4.4 全数字化矢量变换控制调速系统设计153  6.5 异步电动机的直接转矩控制155    6.5.1 概述155    6.5.2 直接转矩控制的基本结构156    6.5.3 直接转矩控制的基本原理158    6.5.4 直接转矩控制的调节方案161    6.5.5 直接转矩控制的数字化162  6.6 同步电动机的变压变频调速163    6.6.1 同步电动机变频调速的控制方式和特点163    6.6.2 同步电动机变频调速的工作特性164    6.6.3 同步电动机的变压变频调速控制166  6.7 同步电动机的矢量变换控制167    6.7.1 矢量变换控制原理167    6.7.2 同步电动机矢量变换控制系统169  习题170第7章 同步发电机的励磁控制171  7.1 同步发电机励磁控制的特点171    7.1.1 同步发电机励磁控制系统的构成172    7.1.2 同步发电机励磁控制的基本要求173    7.1.3 同步发电机励磁控制的方式175    7.1.4 全数字控制同步发电机晶闸管励磁系统的要求175  7.2 同步发电机励磁系统的分类176    7.2.1 励磁系统的分类176    7.2.2 直流励磁机励磁系统177    7.2.3 交流励磁机励磁系统180    7.2.4 静止励磁机励磁系统182    7.2.5 半导体励磁系统183  7.3 同步发电机励磁控制器与励磁装置185    7.3.1 比例-积分-微分控制器+电力系统稳定器185    7.3.2 线性最优励磁控制186    7.3.3 非线性最优励磁控制186    7.3.4 同步发电机励磁控制方法的特点187    7.3.5 励磁电流及其调节188    7.3.6 励磁控制装置189  7.4 1000MW机组发电机励磁技术196    7.4.1 大型机组励磁技术196    7.4.2 4500kW无刷励磁机197  习题198第8章 电动机智能控制技术与应用199  8.1 概述199  8.2 电动机智能控制的硬件基础200    8.2.1 电动机的集成控制芯片200    8.2.2 其他主要外围电路201  8.3 电动机的模糊控制204    8.3.1 模糊控制概述204    8.3.2 电动机的模糊控制系统设计206  8.4 电动机的神经网络控制208    8.4.1 神经网络控制概述208    8.4.2 神经网络控制在电动机传动系统中的应用211  8.5 电动机的模糊神经网络控制216    8.5.1 模糊神经网络控制概述216    8.5.2 应用实例218  习题221第9章 高效电动机与电动机系统节能技术及其应用222  9.1 电动机起动技术与装置222    9.1.1 电动机起动技术原理222    9.1.2 晶闸管软起动器226    9.1.3 液体电阻软起动器231    9.1.4 热变液阻软起动器232    9.1.5 开关变压器式软起动器234    9.1.6 电抗器软起动器237    9.1.7 磁控软起动器238  9.2 电动机的固态软起动装置及应用241    9.2.1 技术关键241    9.2.2 软起动控制策略243    9.2.3 电动机的固态软起动技术应用246  9.3 高压变频器技术及产品246    9.3.1 变频器产品及应用246    9.3.2 高压变频器产品及应用247  9.4 电动机系统节能技术253    9.4.1 电动机系统节能标准253    9.4.2 电动机系统节能技术257    9.4.3 电动机系统节能产品260    9.4.4 电动机系统节能评估、分析及产品认证263    9.4.5 全寿命成本分析法269  9.5 高效电动机270    9.5.1 高效电动机的法规与标准270    9.5.2 高效电动机的研发状况271    9.5.3 三相异步电动机降低能耗提高效率的措施272    9.5.4 永磁电动机272  习题274附录 变量对照表275参考文献280

章节摘录

　　变频调速系统主电路方案，包括：　　1）大变频调速器驱动，由一台大功率变频器来驱动多台永磁同步电动机，电动机可逐台起动或分组起动，特点为系统简单、控制方便，无须采取任何措施，就可以保证多台电动机同步运行，但存在变频器容量必须选用很大，单台电动机短路故障有可能引起变频器跳闸、造成停产等不足。　　2）多台小变频器驱动，每一台电动机由一台小变频器驱动，一一对应，特点为一台变频器驱动一台电动机，可以实现软起动，变频器容量基本上与电动机相同，即使某台电动机发生故障时，对应变频器停止工作，不会影响整台纺丝机的正常运转，但存在总设定、总起动调节需另加环节，n台变频器输出频率会有离散性，存在一定的误差。为了能够达到转速同步，需要另外增加串行通信接口等。　　3）公用直流电源的多台小逆变器驱动，采用公用直流小逆变器驱动，除了保持小逆变器驱动的特点外，可以实现电动机电动状态和再生制动状态的能量自动补偿。为保持一定的牵伸张力，被拖电动机必须处于制动状态。公用直流母排连在一起，被拖电动机变成发电机经续流二极管整流成直流回馈到直流母线，电动机不但无须从电网吸收能量，还可以将能量供给其他逆变器，既有利于直流母线电压稳定，又起到节能的作用；可以协调各台电动机停机。同时，防止了瞬时停电带来的停机故障。　　此外，针对重要设备，还通过拖动电动机设置了“辅助运行逆变器”切换回路。　　总之，多台电动机同步变频调速采用高精度的变频器，稀土永磁同步电动机，开环控制变频调速系统，并趋向采用公用直流电源的多台小逆变器的变频器方案等。　　（2）自同步　　其定子绕组产生的旋转磁场位置由永磁转子的位置决定，能自动维持与转子磁场相差900的空间夹角，以产生最大的电动机转矩，旋转磁场的转速则严格地由永磁转子的转速决定。除仍需要逆变器开关电路外，还需要一个能检测转子位置的传感器，逆变器的开关工作，即永磁同步电动机定子绕组得到的多相电流，完全由转子位置检测装置给出的信号来控制。　　定子旋转磁场由转子位置来决定的运行方式即自同步永磁同步电动机运行方式，是从20世纪60年代后期发展起来，具有直流电动机的特性，即稳定的起动转矩、可自行起动，并可类似于直流电动机对电动机进行闭环控制。自同步永磁同步电动机已成为当今永磁同步电动机应用的主要方式。按电动机定子绕组中加入的电流形式可分为方波电动机和正弦波电动机两类：　　1）方波电动机，绕组中的电流是方波形的，与有刷直流电动机工作原理完全相同，不同处在于它用电子开关电路和转子位置传感器取代了有刷直流电动机的换向器和电刷，实现了直流电动机的无刷化，同时保持了直流电动机良好的控制特性。这类方波电动机亦称为无刷直流电动机，当前使用最广泛的是自同步永磁同步电动机。　　2）正弦波电动机，其定子绕组得到的是对称三相交流电，但三相交流电的频率、相位和幅值由转子的位置信号决定；转子位置检测通常采用光电编码器，获得瞬间转子位置信息；采用单片机或DSP作为控制器的核心单元，因其控制性能、控制精度和转矩的平稳性优予无刷直流电动机控制系统，故主要用于高精度交流伺服控制系统中。　　4.永磁同步电动机在现代工业中的应用　　现代工农业生产机械驱动电动机常用的有交流异步电动机、有刷直流电动机和永磁同步电动机（包括无刷直流电动机）三大类，按照不同要求，电动机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类：　　（1）定速驱动　　工农业生产中有大量生产机械要求连续地以大致不变的速度、单方向运行，如风机、泵、压缩机、普通机床等，以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。但异步电动机效率和功率因数低、损耗大，大量电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往亦需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。20世纪70年代起，采用变频器调节风机和水泵中异步电动机的转速来调节其流量，获得了可观的节能效果，但变频器的成本又限制了其使用，且异步电动机本身的低效率依然存在。　　……

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