描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111623939
内容简介
提高篇共有7章，重点介绍电力传动控制系统的动态建模、系统辨识与先进的控制方法。第7章介绍了电力传动系统的动态模型，从统一电机模型角度重点介绍了交流电机的动态建模方法，通过坐标变换，进行模型简化和解耦，并介绍了变流器的动态建模原理。第8章介绍了异步电动机的矢量控制和直接转矩控制方法，包括控制系统的组成结构及其控制策略。第9章介绍了绕线转子异步电动机双馈控制系统，详细分析了系统结构、双馈控制原理和控制策略。第10章介绍了同步电动机的传动系统的控制，主要针对电励磁与永磁两种同步电动机，讨论了系统结构、控制方法和运行特性等问题。第11章专门分析和讨论了电力传动系统的弱磁控制，包括：各种电机的弱磁控制原理、系统结构和运行特性等问题。第12章介绍了电力传动控制系统的参数辨识与估计，包括：基于系统模型的参数估计方法，基于观测器和卡拉曼滤波器的参数估计方法，进而介绍了无传感器电力传动控制系统。第13章主要讨论了各种先进的控制方法在电力传动系统的应用，包括：自适应控制、非线性控制和智能控制等，详细介绍了系统结构、控制原理和设计方法等。
目 录
前言
常用符号表
主要参数和物理量符号
第7章 电力传动系统的动态模型1
7.1 统一电机理论1
7.1.1 统一电机理论的基本思路1
7.1.2 第一种原型电机2
7.1.3 第二种原型电机5
7.2 坐标变换概念与方法6
7.2.1 坐标变换的基本概念7
7.2.2 坐标变换的原则及约束8
7.2.3 坐标变换的一般方法9
7.3 直流电动机的动态模型14
7.4 交流异步电动机的动态模型16
7.4.1 异步电动机的动态建模16
7.4.2 异步电动机的模型变换20
7.5 交流同步电动机的动态模型24
7.5.1 同步电动机的动态建模24
7.5.2 同步电动机的模型变换26
7.6 电力传动系统的其他模型28
7.6.1 电力传动系统的状态方程模型29
7.6.2 电力传动系统的离散模型30
7.6.3 电力传动系统的逆模型33
7.7 多相电动机的建模与坐标变换34
7.7.1 多相电动机的结构34
7.7.2 多相电动机的数学模型35
7.7.3 多相电动机的坐标变换38
7.8 电力电子变流器的动态模型40
7.8.1 变流器的电路平均模型41
7.8.2 三相变流器的开关状态模型43
7.8.3 调制器与驱动电路的动态模型45
7.9 电力传动系统的仿真46
7.9.1 仿真模型与分析方法46
7.9.2 交流电动机的仿真47
7.9.3 电力电子变流器的仿真48
本章小结50
思考题与习题50
参考文献51
第8章 笼型转子异步电动机高性能控制方法52
8.1 笼型转子异步电动机的动态等效电路52
8.2 按转子磁场定向的矢量控制系统53
8.2.1 矢量控制系统的解耦模型53
8.2.2 矢量控制系统的基本思想和解决方案54
8.2.3 直接转子磁场定向的矢量控制系统55
8.2.4 间接转子磁场定向的矢量控制系统56
8.2.5 矢量控制系统仿真56
8.3 直接转矩控制系统60
8.3.1 直接转矩控制系统的基本思想与控制原理60
8.3.2 DTC系统的组成61
8.3.3 DTC的控制策略62
8.3.4 DTC系统仿真试验64
本章小结70
思考题和习题70
参考文献71
第9章 绕线转子异步电动机双馈控制系统72
9.1 双馈控制的基本原理与运行模式72
9.1.1 绕线转子异步电动机双馈控制的基本原理72
9.1.2 绕线转子异步电动机双馈控制的基本方法73
9.1.3 绕线转子异步电动机双馈运行的功率传输73
9.2 绕线转子异步电动机的次同步速调速——串级调速系统74
9.2.1 串级调速系统的组成74
9.2.2 串级调速系统的数学模型75
9.2.3 串级调速系统的闭环控制动态结构图76
9.3 绕线转子异步电动机的超同步速调速——双馈调速系统77
9.3.1 采用交-交变频器的双馈调速系统的组成及控制策略77
9.3.2 双馈调速系统的矢量控制78
9.3.3 双馈调速系统的应用举例79
本章小结88
思考题与习题88
参考文献88
第10章 交流同步电动机控制系统89
10.1 同步电动机的主要类型与调速方法89
10.1.1 电励磁同步电动机89
10.1.2 永磁同步电动机89
10.1.3 同步电动机调速方法93
10.1.4 同步电动机在旋转坐标系的动态等效电路及方程94
10.2 同步电动机按定子磁链定向的矢量控制系统95
10.2.1 控制系统的组成与控制原理95
10.2.2 MATLAB/Simulink仿真96
10.3 永磁同步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统98
10.3.1 控制系统的组成98
10.3.2 MATLAB/Simulink仿真98
10.4 直流无刷同步电动机调速系统100
10.4.1 控制系统的组成102
10.4.2 MATLAB/Simulink仿真102
10.5 同步电动机的DTC系统104
10.5.1 基于DTC的同步电动机调速系统组成104
10.5.2 系统仿真与试验105
本章小结107
思考题与习题108
参考文献108
第11章 电力传动系统的弱磁控制109
11.1 电动机弱磁控制的基本概念109
11.2 直流电动机的弱磁控制109
11.2.1 他励直流电动机弱磁调速109
11.2.2 串励直流电动机弱磁调速系统113
11.3 交流异步电动机的弱磁控制116
11.3.1 异步电动机的弱磁调速基本原理117
11.3.2 异步电动机弱磁调速的控制方法119
11.3.3 异步电动机的弱磁控制应用实例122
11.4 同步电动机的弱磁控制123
11.4.1 电励磁同步电动机的弱磁控制123
11.4.2 永磁同步电动机的弱磁控制123
11.4.3 永磁电动机弱磁调速应用实例136
本章小结137
参考文献138
第12章 电力传动系统的参数辨识与状态估计139
12.1 问题的提出139
12.2 参数辨识与状态估计的基本原理与方法140
12.2.1 系统辨识的基本结构和一般描述140
12.2.2 最小二乘估计方法142
12.3 系统状态估计的理论与方法144
12.3.1 龙伯格状态观测器144
12.3.2 卡尔曼滤波器145
12.4 电力传动系统的参数辨识与状态估计147
12.4.1 电动机参数的辨识147
12.4.2 电动机磁链的估计150
12.4.3 电动机转速的估计157
12.4.4 电动机转矩的估计161
12.5 无速度传感器控制系统163
12.5.1 基于VC的无速度传感器控制系统163
12.5.2 基于DTC的无速度传感器控制系统164
12.5.3 无速度传感器控制系统的仿真与实验165
本章小结167
参考文献167
第13章 电力传动系统的先进控制方法169
13.1 电力传动系统
常用符号表
主要参数和物理量符号
第7章 电力传动系统的动态模型1
7.1 统一电机理论1
7.1.1 统一电机理论的基本思路1
7.1.2 第一种原型电机2
7.1.3 第二种原型电机5
7.2 坐标变换概念与方法6
7.2.1 坐标变换的基本概念7
7.2.2 坐标变换的原则及约束8
7.2.3 坐标变换的一般方法9
7.3 直流电动机的动态模型14
7.4 交流异步电动机的动态模型16
7.4.1 异步电动机的动态建模16
7.4.2 异步电动机的模型变换20
7.5 交流同步电动机的动态模型24
7.5.1 同步电动机的动态建模24
7.5.2 同步电动机的模型变换26
7.6 电力传动系统的其他模型28
7.6.1 电力传动系统的状态方程模型29
7.6.2 电力传动系统的离散模型30
7.6.3 电力传动系统的逆模型33
7.7 多相电动机的建模与坐标变换34
7.7.1 多相电动机的结构34
7.7.2 多相电动机的数学模型35
7.7.3 多相电动机的坐标变换38
7.8 电力电子变流器的动态模型40
7.8.1 变流器的电路平均模型41
7.8.2 三相变流器的开关状态模型43
7.8.3 调制器与驱动电路的动态模型45
7.9 电力传动系统的仿真46
7.9.1 仿真模型与分析方法46
7.9.2 交流电动机的仿真47
7.9.3 电力电子变流器的仿真48
本章小结50
思考题与习题50
参考文献51
第8章 笼型转子异步电动机高性能控制方法52
8.1 笼型转子异步电动机的动态等效电路52
8.2 按转子磁场定向的矢量控制系统53
8.2.1 矢量控制系统的解耦模型53
8.2.2 矢量控制系统的基本思想和解决方案54
8.2.3 直接转子磁场定向的矢量控制系统55
8.2.4 间接转子磁场定向的矢量控制系统56
8.2.5 矢量控制系统仿真56
8.3 直接转矩控制系统60
8.3.1 直接转矩控制系统的基本思想与控制原理60
8.3.2 DTC系统的组成61
8.3.3 DTC的控制策略62
8.3.4 DTC系统仿真试验64
本章小结70
思考题和习题70
参考文献71
第9章 绕线转子异步电动机双馈控制系统72
9.1 双馈控制的基本原理与运行模式72
9.1.1 绕线转子异步电动机双馈控制的基本原理72
9.1.2 绕线转子异步电动机双馈控制的基本方法73
9.1.3 绕线转子异步电动机双馈运行的功率传输73
9.2 绕线转子异步电动机的次同步速调速——串级调速系统74
9.2.1 串级调速系统的组成74
9.2.2 串级调速系统的数学模型75
9.2.3 串级调速系统的闭环控制动态结构图76
9.3 绕线转子异步电动机的超同步速调速——双馈调速系统77
9.3.1 采用交-交变频器的双馈调速系统的组成及控制策略77
9.3.2 双馈调速系统的矢量控制78
9.3.3 双馈调速系统的应用举例79
本章小结88
思考题与习题88
参考文献88
第10章 交流同步电动机控制系统89
10.1 同步电动机的主要类型与调速方法89
10.1.1 电励磁同步电动机89
10.1.2 永磁同步电动机89
10.1.3 同步电动机调速方法93
10.1.4 同步电动机在旋转坐标系的动态等效电路及方程94
10.2 同步电动机按定子磁链定向的矢量控制系统95
10.2.1 控制系统的组成与控制原理95
10.2.2 MATLAB/Simulink仿真96
10.3 永磁同步电动机按转子磁链定向的矢量控制系统98
10.3.1 控制系统的组成98
10.3.2 MATLAB/Simulink仿真98
10.4 直流无刷同步电动机调速系统100
10.4.1 控制系统的组成102
10.4.2 MATLAB/Simulink仿真102
10.5 同步电动机的DTC系统104
10.5.1 基于DTC的同步电动机调速系统组成104
10.5.2 系统仿真与试验105
本章小结107
思考题与习题108
参考文献108
第11章 电力传动系统的弱磁控制109
11.1 电动机弱磁控制的基本概念109
11.2 直流电动机的弱磁控制109
11.2.1 他励直流电动机弱磁调速109
11.2.2 串励直流电动机弱磁调速系统113
11.3 交流异步电动机的弱磁控制116
11.3.1 异步电动机的弱磁调速基本原理117
11.3.2 异步电动机弱磁调速的控制方法119
11.3.3 异步电动机的弱磁控制应用实例122
11.4 同步电动机的弱磁控制123
11.4.1 电励磁同步电动机的弱磁控制123
11.4.2 永磁同步电动机的弱磁控制123
11.4.3 永磁电动机弱磁调速应用实例136
本章小结137
参考文献138
第12章 电力传动系统的参数辨识与状态估计139
12.1 问题的提出139
12.2 参数辨识与状态估计的基本原理与方法140
12.2.1 系统辨识的基本结构和一般描述140
12.2.2 最小二乘估计方法142
12.3 系统状态估计的理论与方法144
12.3.1 龙伯格状态观测器144
12.3.2 卡尔曼滤波器145
12.4 电力传动系统的参数辨识与状态估计147
12.4.1 电动机参数的辨识147
12.4.2 电动机磁链的估计150
12.4.3 电动机转速的估计157
12.4.4 电动机转矩的估计161
12.5 无速度传感器控制系统163
12.5.1 基于VC的无速度传感器控制系统163
12.5.2 基于DTC的无速度传感器控制系统164
12.5.3 无速度传感器控制系统的仿真与实验165
本章小结167
参考文献167
第13章 电力传动系统的先进控制方法169
13.1 电力传动系统
前 言
笔者于2010年编写的《电力传动控制系统》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了一定的好评。
近年来，随着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，原有的教材中的一些内容已不能适应时代的要求。为此，需要对《电力传动控制系统》这本教材进行修订，力图与时俱进，使教学能跟上技术发展的需求。
在修订过程中，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，因此从选材、内容安排到阐述方法等方面都做了一些新的尝试。全书分为两篇，按上、下两册出版。上册为基础篇，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；下册为提高篇，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，除了深入分析矢量控制和直接转矩控制外，还探讨了自适应控制、非线性控制、智能控制以及系统辨识等在电力传动系统的应用。
本书为提高篇，以动态模型为基础，重点介绍交流传动系统的高性能控制方法，从第7章至第14章共8章。
第7章介绍了电力传动系统的动态模型，从统一电机模型出发，重点讨论交流电动机的动态建模方法、坐标变换和模型简化，还包括状态方程模型、差分方程模型以及各种模型之间的转换方法，作为全书的基础和引导。
第8～10章主要介绍了基于动态模型的交流电力传动控制系统，重点分析了矢量控制与直接转矩方法，包括各种系统组成结构和控制策略，使读者能学习和掌握现代电力传动系统的主要控制理念和经典方法。
第11章集中探讨了交、直流电动机的弱磁控制问题，主要针对恒功率负载的特点，深入分析了电力传动系统的弱磁分区、协调控制策略和系统性能。
第12章专门分析和讨论了电力传动系统的参数辨识和估计问题，包括系统辨识原理、各种参数估计方法原理与系统结构等，为前面章节的各种控制系统的参数估计提供多种解决方案，进而介绍了无传感器控制的电力传动系统的原理和方法。
第13章针对交流传动系统的非线性本质和PI控制难以应对参数变化等问题，探讨了一些先进的控制思想和方法及其在电力传动系统的应用，包括自适应控制、非线性控制和智能控制等，以扩展读者的研究思路和视野。
第14章介绍了电力传动系统的应用，考虑到交通电气化发展的新趋势成为高性能电力传动新的应用领域，该章重点聚焦高速动车、城市轨道交通、电动汽车和船舶电力推进系统的运动控制问题，采用高性能电力传动取代传统动力装置，具有典型性和新颖性，也为进一步发展智能运动和机器人等智能化系统提供了知识基础。
提高篇的知识面广、内容深入，应用了现代控制理论的主要方法，包括状态方程、系统辨识和各种先进的控制方法，需要读者具备较为坚实的基础理论，可供硕士研究生和高年级本科生学习。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。由于与传统教材有较大差异，建议任课教师根据教学要求、课程时数和学生程度有所选择。比如，对于本科生高年级课程，可以选择第7~10章的主要内容组织教学和学习，其他章节可安排选修课。
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、韩金刚副教授和陈昊讲师，并特邀同济大学康劲松教授加盟。谢卫教授以他在电机理论方面的深厚造诣，编写了第7章中的电动机动态建模，并负责电子课件的编撰、制作。康劲松教授长期从事电动汽车和轨道交通的研究，编写了第11章和第14章。韩金刚副教授在电力电子变流技术方面颇有研究成果，编写了第7章变流器建模部分和第13章的预测控制部分。陈昊讲师在法国获得博士学位，编写了第13章的内模控制部分，并提供了大部分的系统仿真内容。笔者主要编写了第12章和第13章，并负责全书的统稿。本书第8～10章的内容在2013年出版的《电力传动控制系统》第4章的基础上进行了修改和扩充，在此感谢原书作者之一陆海慧博士的历史贡献。
本书的编写还得到上海海事大学的大力支持，许多研究生参与了在MATLAB的Simulink仿真平台上设计和建立各种系统的仿真模型并进行了仿真试验，在此谨向他们的辛勤工作表示感谢。
由于编者水平有限，本书还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
近年来，随着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，原有的教材中的一些内容已不能适应时代的要求。为此，需要对《电力传动控制系统》这本教材进行修订，力图与时俱进，使教学能跟上技术发展的需求。
在修订过程中，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，因此从选材、内容安排到阐述方法等方面都做了一些新的尝试。全书分为两篇，按上、下两册出版。上册为基础篇，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；下册为提高篇，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，除了深入分析矢量控制和直接转矩控制外，还探讨了自适应控制、非线性控制、智能控制以及系统辨识等在电力传动系统的应用。
本书为提高篇，以动态模型为基础，重点介绍交流传动系统的高性能控制方法，从第7章至第14章共8章。
第7章介绍了电力传动系统的动态模型，从统一电机模型出发，重点讨论交流电动机的动态建模方法、坐标变换和模型简化，还包括状态方程模型、差分方程模型以及各种模型之间的转换方法，作为全书的基础和引导。
第8～10章主要介绍了基于动态模型的交流电力传动控制系统，重点分析了矢量控制与直接转矩方法，包括各种系统组成结构和控制策略，使读者能学习和掌握现代电力传动系统的主要控制理念和经典方法。
第11章集中探讨了交、直流电动机的弱磁控制问题，主要针对恒功率负载的特点，深入分析了电力传动系统的弱磁分区、协调控制策略和系统性能。
第12章专门分析和讨论了电力传动系统的参数辨识和估计问题，包括系统辨识原理、各种参数估计方法原理与系统结构等，为前面章节的各种控制系统的参数估计提供多种解决方案，进而介绍了无传感器控制的电力传动系统的原理和方法。
第13章针对交流传动系统的非线性本质和PI控制难以应对参数变化等问题，探讨了一些先进的控制思想和方法及其在电力传动系统的应用，包括自适应控制、非线性控制和智能控制等，以扩展读者的研究思路和视野。
第14章介绍了电力传动系统的应用，考虑到交通电气化发展的新趋势成为高性能电力传动新的应用领域，该章重点聚焦高速动车、城市轨道交通、电动汽车和船舶电力推进系统的运动控制问题，采用高性能电力传动取代传统动力装置，具有典型性和新颖性，也为进一步发展智能运动和机器人等智能化系统提供了知识基础。
提高篇的知识面广、内容深入，应用了现代控制理论的主要方法，包括状态方程、系统辨识和各种先进的控制方法，需要读者具备较为坚实的基础理论，可供硕士研究生和高年级本科生学习。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。由于与传统教材有较大差异，建议任课教师根据教学要求、课程时数和学生程度有所选择。比如，对于本科生高年级课程，可以选择第7~10章的主要内容组织教学和学习，其他章节可安排选修课。
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、韩金刚副教授和陈昊讲师，并特邀同济大学康劲松教授加盟。谢卫教授以他在电机理论方面的深厚造诣，编写了第7章中的电动机动态建模，并负责电子课件的编撰、制作。康劲松教授长期从事电动汽车和轨道交通的研究，编写了第11章和第14章。韩金刚副教授在电力电子变流技术方面颇有研究成果，编写了第7章变流器建模部分和第13章的预测控制部分。陈昊讲师在法国获得博士学位，编写了第13章的内模控制部分，并提供了大部分的系统仿真内容。笔者主要编写了第12章和第13章，并负责全书的统稿。本书第8～10章的内容在2013年出版的《电力传动控制系统》第4章的基础上进行了修改和扩充，在此感谢原书作者之一陆海慧博士的历史贡献。
本书的编写还得到上海海事大学的大力支持，许多研究生参与了在MATLAB的Simulink仿真平台上设计和建立各种系统的仿真模型并进行了仿真试验，在此谨向他们的辛勤工作表示感谢。
由于编者水平有限，本书还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
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