高性能變頻調(diào)速及其典型控制系統(tǒng)

前言

　　在我國，大約60％的發(fā)電量用于電動(dòng)機(jī)。電氣傳動(dòng)是一項(xiàng)通過控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來滿足各種機(jī)械工作要求，改善工作效果的技術(shù)，它是信息、能源和機(jī)械的接口。早期的電動(dòng)機(jī)調(diào)速是直流調(diào)速的天下，自20世紀(jì)80年代以來.隨著電力電子變頻技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展和高性能交流調(diào)速方法的發(fā)明，現(xiàn)在已基本實(shí)現(xiàn)了以交流調(diào)速取代直流調(diào)速?！　∧壳敖榻B變頻調(diào)速的書籍很多，主要有兩類：一類是介紹原理的書，多由教授編寫，理論嚴(yán)謹(jǐn)，但數(shù)學(xué)推導(dǎo)多，特別是用抽象的矩陣公式描述電動(dòng)機(jī)，讓工程技術(shù)人員難接受；另一類是介紹應(yīng)用的書，多由工程師編寫，主要是羅列應(yīng)用實(shí)例，使人難有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，普及性不足。筆者是一位在該領(lǐng)域工作幾十年的工程師，也是一位大學(xué)兼職教授，在本書的撰寫中以工程師和教授的雙重眼光來看待和介紹這項(xiàng)技術(shù)，既有原理介紹又有應(yīng)用總結(jié)。在介紹原理時(shí)，強(qiáng)調(diào)物理概念，無抽象的矩陣推導(dǎo)；在介紹應(yīng)用時(shí)，將眾多工藝要求中的共性問題提煉出來，按照實(shí)現(xiàn)這些共性要求的控制方法的不同，歸納出幾類典型工藝控制系統(tǒng)，分別予以介紹。書中有些內(nèi)容是筆者個(gè)人看法，僅供參考，歡迎討論?！　〔煌谄渌悤?，本書特點(diǎn)如下：　　1）從電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一控制理論出發(fā)，介紹了各種高性能變頻調(diào)速方法，在討論原理時(shí)，盡可能地與實(shí)用系統(tǒng)相結(jié)合；　　2）矢量控制系統(tǒng)需要電動(dòng)機(jī)參數(shù)，本書專辟一節(jié)介紹了異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)的獲取方法：　　3）磁鏈軌跡控制是近幾年新研究出來的一種新控制方法，主要解決由于使用高壓開關(guān)器件后，開關(guān)頻率低帶來的問題，它既不同于常規(guī)矢量控制，又不同于直接轉(zhuǎn)矩控制，性能優(yōu)于二者，在本書第8章中將介紹該方法；　　4）由于矢量控制系統(tǒng)中存在耦合，在介紹矢量控制的書中大多回避了調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算，在本書第10章中將專門介紹如何解耦及進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)工程計(jì)算；　　5）介紹了應(yīng)用最廣泛的電壓型變頻器的應(yīng)用問題：

內(nèi)容概要

本書介紹了變頻器、高性能變頻調(diào)速系統(tǒng)、典型調(diào)速系統(tǒng)及控制環(huán)節(jié)以及其應(yīng)用時(shí)的注意事項(xiàng)。它是筆者在該領(lǐng)域多年工作的體會(huì)和總結(jié)，其特點(diǎn)是以工程師和教授的雙重眼光來看待和認(rèn)識(shí)這項(xiàng)技術(shù)，既有原理介紹又有應(yīng)用。在介紹原理時(shí)，強(qiáng)調(diào)物理概念，無抽象的矩陣推導(dǎo)；在介紹應(yīng)用時(shí)，把眾多工藝要求中的共性問題提煉出來，按照實(shí)現(xiàn)這些共性要求的控制方法不同，歸納出幾類典型工藝控制系統(tǒng)，予以分別介紹?！　”緯勺鳛閺氖码姎鈧鲃?dòng)自動(dòng)化技術(shù)的工程技術(shù)人員及高等院校教師、研究生及高年級(jí)學(xué)生的參考書，也可作為繼續(xù)教較育的培訓(xùn)班的教材。希望通過本書能幫助工程技術(shù)人員提高理論知識(shí)水平，幫助在校的初學(xué)者了解工業(yè)應(yīng)用。

書籍目錄

前言 第1章 變頻調(diào)速引言 　1.1 調(diào)速系統(tǒng)指標(biāo) 　　1.1.1 調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)速指標(biāo) 　　1.1.2 調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)速指標(biāo) 　1.2 調(diào)速系統(tǒng)分類 　　1.2.1 按驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)類型分類 　　1.2.2 按應(yīng)用領(lǐng)域分類 　　1.2.3 按調(diào)速方式分類 　1.3 交流調(diào)速系統(tǒng)分類 　1.4 變頻調(diào)速概述 　1.5 典型工藝控制系統(tǒng)概述 第2章 數(shù)字控制基礎(chǔ) 　2.1 模擬控制和數(shù)字控制 　2.2 離散和采樣 　2.3 變量和參數(shù)的相對(duì)值 　2.4 連續(xù)變量的量化 　2.5 電壓、電流等模擬信號(hào)的量化 　　2.5.1 瞬時(shí)值法 　　2.5.2 平均值法 　2.6 脈沖頻率信號(hào)的量化（F/D變換） 　2.7 常用數(shù)字控制單元 　　2.7.1 常用數(shù)字調(diào)節(jié)器 　　2.7.2 數(shù)字斜坡給定（數(shù)字給定積分） 　2.8 開環(huán)前饋補(bǔ)償（預(yù)控） 　2.9 處理器和現(xiàn)場可偏程門陣列 　　2.9.1 常用處理器 　　2.9.2 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 第3章 調(diào)速系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè) 　3.1 電壓和電流檢測(cè) 　　3.1.1 取樣電阻直接檢測(cè)法 　　3.1.2 隔離放大器 　　3.1.3 交流互感器 　　3.1.4 霍爾傳感器 　　3.1.5 基于?/?變換的電壓、電流檢測(cè)器 　3.2 轉(zhuǎn)速和位置測(cè)量 　　3.2.1 測(cè)速發(fā)電機(jī) 　　3.2.2 編碼器 　　3.2.3 旋轉(zhuǎn)變壓器（又稱解算器Resolver） 第4章 變頻調(diào)速用變頻器 　4.1 基于晶閘管移相控制的變頻器 　　4.1.1 電源自然換相的交-交變頻器（CC） 　　4.1.2 負(fù)載自然換相的交-直-交電流型變頻器（LCI） 　　4.1.3 CC和LCI變頻器的應(yīng)用 　　4.1.4 CC/LCI混合變頻器 　4.2 基于可關(guān)斷器件的PWM低壓變頻器 　　4.2.1 PWM變流基礎(chǔ) 　　4.2.2 交-直-交電壓型變頻器 　　4.2.3 交-直-交電壓型變頻器的應(yīng)用 　　4.2.4 交-直-交電流型變頻器 　　4.2.5 矩陣變頻器 　4.3 基于可關(guān)斷器件的PWM中壓交-直-交變頻器 　　4.3.1 中壓電壓等級(jí)問題 　　4.3.2 電壓型中點(diǎn)鉗位三電平變頻器 　　4.3.3 電壓型電容鉗位四電平變頻器 　　4.3.4 電壓型H橋級(jí)聯(lián)變頻器 　　4.3.5 電流型變頻器 　4.4 電壓型PWM控制策略 　　4.4.1 幾個(gè)名詞和概念 　　4.4.2 兩電平變頻器的PWM控制策略 　　　4.4.2.1 三角載波法（SPWM） 　　　4.4.2.2 電壓空間矢量法（SVPWM） 　　　4.4.2.3 規(guī)則采樣SPWM和SVPWM的倍頻調(diào)制和電流采樣 　　　4.4.2.4 電流跟蹤控制法 　　　4.4.2.5 優(yōu)化PWM控制策略 　　　4.4.2.6 死時(shí)的影響及其補(bǔ)償 　　4.4.3 三電平中點(diǎn)鉗位變頻器的PWM控制策略 　　　4.4.3.1 三角載波法（SPWM） 　　　4.4.3.2 電壓空間矢量法（SVPWM） 　　4.4.4 H橋級(jí)聯(lián)變頻器的PWM控制策略 第5章 高性能交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速基礎(chǔ) 　5.1 電動(dòng)機(jī)統(tǒng)一控制理論 　　5.1.1 調(diào)速的關(guān)鍵是轉(zhuǎn)矩控制 　　5.1.2 統(tǒng)一的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩公式 　5.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制 　5.3 交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制 　　5.3.1 標(biāo)量控制系統(tǒng) 　　5.3.2 高性能控制概念 　5.4 坐標(biāo)系及符號(hào)規(guī)定 　　5.4.1 交流電動(dòng)機(jī)的坐標(biāo)系 　　5.4.2 符號(hào)規(guī)定 　5.5 交流電動(dòng)機(jī)的空間矢量概念 　5.6 矢量的坐標(biāo)變換 　5.7 三相交流電流控制 　5.8 三相PWM整流（AFE）的控制 　5.9 高性能調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)的加減速和正反轉(zhuǎn) 第6章 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng) 　6.1 選取基準(zhǔn)矢量 　6.2 異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈 　6.3 異步電動(dòng)機(jī)的模型 　　6.3.1 電壓模型VM 　　6.3.2 電流模型IM 　　6.3.3 VM和IM的合成 　6.4 異步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)框圖 　6.5 異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)的估算和測(cè)量 　6.6 無轉(zhuǎn)速傳感器矢量控制系統(tǒng) 第7章 異步電動(dòng)機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)（DTC） 　7.1 選取和計(jì)算基準(zhǔn)矢量 　7.2 DTC的磁鏈控制 　7.3 DTC的轉(zhuǎn)矩控制 　7.4 DTC系統(tǒng)框圖 　7.5 DTC與矢量控制VC的比較 第8章 異步電動(dòng)機(jī)定子磁鏈軌跡控制 　8.1 問題提出 　8.2 同步對(duì)稱優(yōu)化PWM的應(yīng)用 　8.3 定子磁鏈軌跡控制（SFTC） 　8.4 基于SFTC的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 　8.5 SFTC與常規(guī)矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制的比較 第9章 同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng) 　9.1 引言 　　9.1.1 調(diào)速用同步電動(dòng)機(jī) 　　9.1.2 同步電動(dòng)機(jī)的它控變頻與自控變頻 　9.2 永磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng) 　9.3 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng) 　　9.3.1 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)的特點(diǎn) 　　9.3.2 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)矢量控制原理 　　9.3.3 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)模型 　　9.3.4 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)控制 　　9.3.5 勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置角測(cè)量 　　9.3.6 磁鏈閉環(huán)及弱磁控制 　　9.3.7 兩個(gè)動(dòng)態(tài)問題 第10章 矢量控制系統(tǒng)的解耦與調(diào)節(jié)器參數(shù)工程計(jì)算 第11章 典型工藝控制系統(tǒng)及環(huán)節(jié)

章節(jié)摘錄

　　第2章 數(shù)字控制基礎(chǔ)　　調(diào)速控制分為兩大類：模擬控制和數(shù)字控制。模擬控制的精度差、特性分散、調(diào)試麻煩、標(biāo)準(zhǔn)化困難，它的應(yīng)用在逐步減少。近年來隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制已取代模擬控制，有必要在介紹各種變頻器和調(diào)速系統(tǒng)之前，先介紹數(shù)字控制的一些基礎(chǔ)知識(shí)?！　?.1 模擬控制和數(shù)字控制　　調(diào)速裝置的控制系統(tǒng)分為兩大類：模擬控制系統(tǒng)和數(shù)字控制系統(tǒng)。模擬控制系統(tǒng)基于模擬控制器件，在這類控制系統(tǒng)中，所有控制量的采集（采樣）、各功能塊之間的信息交換以及它們的計(jì)算、控制、輸出等功能的執(zhí)行都是連續(xù)的，并行進(jìn)行的，故又稱為連續(xù)控制系統(tǒng)。數(shù)字控制系統(tǒng)基于數(shù)字控制器件，其核心是處理器，在這類控制系統(tǒng)中，一個(gè)處理器要完成大量的任務(wù)，在一個(gè)時(shí)間又只能做一件事，所以這些任務(wù)必須分時(shí)串行執(zhí)行，把原本是連續(xù)的任務(wù)間斷成每隔一定時(shí)間（周期）執(zhí)行一次，故又稱為離散控制。　　早期的控制系統(tǒng)都是模擬系統(tǒng)，近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制系統(tǒng)已取代模擬系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)的特點(diǎn)是：　　1）精度高，速度快，存儲(chǔ)量大，有較強(qiáng)的計(jì)算、調(diào)節(jié)和邏輯判斷功能，可以實(shí)現(xiàn)許多過去無法實(shí)現(xiàn)的高級(jí)復(fù)雜的控制方法，獲得快速、精密的控制效果；　　2）可以設(shè)計(jì)統(tǒng)一的硬件電路和基礎(chǔ)軟件，由應(yīng)用者編寫應(yīng)用軟件來滿足不同的控制系統(tǒng)的要求，既標(biāo)準(zhǔn)，又靈活，為系統(tǒng)開發(fā)、升級(jí)提供方便，可靠性高；　　3）有較強(qiáng)的診斷、報(bào)警、數(shù)據(jù)處理及數(shù)字通信功能，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、集中控制和中央計(jì)算機(jī)調(diào)度管理提供了條件?！　煞N控制系統(tǒng)的原理、環(huán)節(jié)和框圖基本相同，本書在論述各種調(diào)速方法的原理時(shí)不特指是模擬還是數(shù)字系統(tǒng)，但在介紹調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方法時(shí)則以數(shù)字系統(tǒng)為主。本章介紹從模擬控制過渡到數(shù)字控制的一些共性問題，各類數(shù)字控制調(diào)速系統(tǒng)的具體問題將在隨后的章節(jié)中介紹。

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