本书的编写考虑了交流调速技术在自动化领域应用的特点，重点阐述了变频交流调速系统的原理、控制方法和系统结构,内容包括了无刷直流电动机、同步电动机、异步电动机和开关磁阻电动机构成的交流调速系统，其中重点叙述了近年来得到广泛应用的无刷直流电动机。该书的突出特点是加强了变频交流调速的基础知识，针对的是采用现代电力电子和微处理器的控制方法，还介绍了部分航空航天领域的应用技术和实例。
本书可作为研究生课程的教材，同时可供从事相关领域研究的科技人员参考。

北京市高等教育精品教材立项项目
交流调速控制系统
周元钧　编著
本书针对近年来交流调速技术在自动化领域应用的特点，重点阐述变频交流调速的原理、控制方法和系统结构；针对中小型交流电动机构成的控制系统，由浅入深、循序渐进地讲解交流调速方法；可作为电气自动化专业研究生的教材，同时可供从事相关领域研究的科技人员参考。

本书特点：
着重讨论了永磁无刷直流电机和永磁同步电机的调速系统，加强了电机性能分析和运行控制方面的内容。
主要针对中小功率电机，不再讨论晶闸管驱动的交流调速系统，只讨论基于功率开关器件的SPWM控制技术。
基于现代电力电子和微处理器的控制方法，去掉模拟电路控制技术的内容，按微处理器控制来讨论交流传动系统。
介绍了部分航空航天交流调速技术和应用实例，特别介绍了余度结构的交流传动系统和开关磁阻电动机控制系统。

近年来，中小功率的交流传动系统越来越多地应用于自动化、航空航天、交通、家用电器等领域，交流调速的知识被众多理工高校列入研究生教学内容。本书被列入北京市高等教育精品教材建设立项项目，主要是作为电气自动化专业研究生的教材，同时供从事相关领域教学和科研的科技人员参考。
　　国内“交流调速”领域的教材已经很多，但本书的编写考虑到近年来交流传动新技术的发展，及其在自动化领域应用的特点，内容只是针对中小型交流电动机构成的控制系统。本教材在内容上与同类教材比较有以下特点：
　　鉴于近年来永磁无刷直流电机、永磁同步电机在自动化设备、航空航天、机器人、医疗、家用电器等领域的广泛应用，本书着重讨论了这两种调速系统，并且加强了电机性能分析、运行控制等方面的内容。
　　本书针对的是中小功率电机，不再讨论晶闸管驱动的交流调速系统，而是主要讨论基于功率开关器件的SPWM控制技术、SVPWM控制技术等目前一些主流的交流传动驱动技术。
　　微处理器技术的发展是影响交流传动系统发展的重要因素，目前电机控制专用微处理器、集成电路发展迅猛，大部分交流传动系统都实现了数字化，因此本书去掉了模拟电路控制技术部分，并且完全按照微处理器控制来讨论系统结构。
　　交流传动系统越来越多地应用于航空航天领域，这些系统的特点是电机转速高，强调高效率、高可靠性，因此本书特别将余度结构的交流传动系统、开关磁阻电动机的控制系统及其应用列入其中。
　　本书在内容结构上以直流调速系统为基础，章节安排时采用了由浅入深、循序渐进的原则，将与直流调速系统最接近的无刷直流电动机调速系统放在前面，将异步电动机调速系统放在后面，并且按照交流电动机在旋转坐标系的等效变换原理，将同步电动机矢量控制内容放在异步电动机矢量控制内容的前面。
　　本教材从构思开始就得到朱耀忠教授的大力帮助，在整个教材编写的过程中，朱耀忠教授也不断地提出宝贵的建议，在此表示衷心感谢。

作者
2012年12月

电气工程/电力电子

本书针对近年来交流调速技术在自动化领域应用的特点，重点阐述变频交流调速的原理、控制方法和系统结构；内容针对中小型交流电动机构成的控制系统，由浅入深、循序渐进；可作为电气自动化专业研究生的教材，同时可供从事相关领域研究的科技人员参考。
本书特点
● 着重讨论了永磁无刷直流电机和永磁同步电机的调速系统，加强了电机性能分析和运行控制方面的内容。
● 主要针对中小功率电机，不再讨论晶闸管驱动的交流调速系统，只讨论基于功率开关器件的SPWM控制技术。
●基于现代电力电子和微处理器的控制方法，去掉模拟电路控制技术的内容，按微处理器控制来讨论交流传动系统。
●介绍了部分航空航天交流调速技术和应用实例。特别介绍了余度结构的交流传动系统和开关磁阻电动机控制系统。

前言
第1章　引言1
　1.1　交流调速系统的应用1
　　1.1.1　交流调速系统在工业上的应用1
　　1.1.2　交流调速在航空航天领域的应用2
　1.2　交流调速技术的发展2
　　1.2.1　功率变换技术的发展3
　　1.2.2　功率电子器件的发展4
　　1.2.3　数字控制器件的发展5
　1.3　本书的结构与内容7
　习题8
第2章　交流调速方法与调速特性9
　2.1　交流电动机的调速原理9
　　2.1.1　交流电动机的同步旋转磁场9
　　2.1.2　同步电动机的调速原理11
　　2.1.3　异步电动机的调速原理11
　　2.1.4　开关磁阻电动机的调速原理13
　2.2　交流电动机的调速方法与调速特性13
　　2.2.1　交流电动机的变频调速特性13
　　2.2.2　异步电动机的变极调速方法与特性15
　　2.2.3　异步电动机的变转差调速方法与特性18
　　2.2.4　小结21
　2.3　交流电动机的等效变换21
　　2.3.1　直流电动机的控制原理21
　　2.3.2　同步电动机的等效变换22
　　2.3.3　异步电动机的等效变换23
　　2.3.4　小结25
　2.4　航空航天交流调速系统的控制问题26
　　2.4.1　航空航天交流调速系统的特点26
　　2.4.2　航空伺服控制系统27
　　2.4.3　多余度结构和容错控制27
　　2.4.4　无位置传感器系统的应用28
　本章小结29
　习题29
第3章　静止变频器控制技术30
　3.1　静止变频器的类型30
　　3.1.1　传统静止变频器类型30
　　3.1.2　新型静止变频器类型33
　　3.1.3　电压源和电流源变频器35
　3.2　方波逆变器36
　　3.2.1　零式方波逆变器36
　　3.2.2　三相桥式方波逆变器37
　　3.2.3　方波逆变器的谐波分析41
　3.3　正弦脉宽调制变频器43
　　3.3.1　正弦脉宽调制变频器的工作原理43
　　3.3.2　SPWM信号的采样方法47
　　3.3.3　SPWM的电压与频率控制48
　　3.3.4　准正弦波脉宽调制法50
　　3.3.5　正弦电流跟踪型脉宽调制方法51
　3.4　空间矢量脉宽调制变频器53
　　3.4.1　SVPWM控制的基本原理53
　　3.4.2　基于矢量相位的SVPWM控制方法57
　　3.4.3　减小谐波影响的SVPWM控制方法59
　3.5　脉宽调制变频器输出的谐波分析63
　　3.5.1　采用规则采样法对输出波形的影响分析63
　　3.5.2　桥臂器件开关死区对输出波形的影响分析65
　本章小结68
　习题69
第4章　无刷直流电动机与运行特性70
　4.1　无刷直流电动机的原理70
　　4.1.1　结构特点和工作原理70
　　4.1.2　电机的基本模型72
　　4.1.3　电机的基本特性74
　4.2　无刷直流电动机的换相方法75
　　4.2.1　三相半桥Y形结构电机的换相控制75
　　4.2.2　三相桥Y形结构电机的换相控制76
　　4.2.3　三相桥△形结构电机的换相控制81
　　4.2.4　不同结构电机的特性比较86
　4.3　无刷直流电动机脉动转矩分析87
　　4.3.1　反电势波形对脉动转矩的影响87
　　4.3.2　换相角误差对脉动转矩的影响93
　　4.3.3　电子换相引起的脉动转矩96
　4.4　双重绕组无刷直流电动机及其控制101
　　4.4.1　双重绕组无刷直流电动机的结构特点101
　　4.4.2　双重绕组无刷直流电动机的数学模型103
　　4.4.3　双重绕组无刷直流电动机的机械特性104
　本章小结105
　习题106
第5章　无刷直流电动机调速系统107
　5.1　无刷直流电动机的运行控制107
　　5.1.1　调速和起动控制107
　　5.1.2　制动运行的控制109
　　5.1.3　前端电压斩波控制的电动机四象限运行112
　　5.1.4　前端电流滞环控制的电动机四象限运行115
　5.2　无刷直流电动机闭环调速系统116
　　5.2.1　PWM控制的单闭环调速系统116
　　5.2.2　PWM控制的双闭环调速系统119
　　5.2.3　前端电压斩波控制的调速系统121
　　5.2.4　前端电流滞环控制的调速系统123
　5.3　无刷直流电动机转子位置测量技术125
　　5.3.1　位置传感器的分辨率125
　　5.3.2　转子位置传感器类型127
　　5.3.3　无位置传感器的换相控制129
　5.4　双通道的无刷直流电动机调速系统132
　　5.4.1　双通道调速系统结构132
　　5.4.2　双通道调速系统的均衡控制133
　　5.4.3　双通道双闭环系统的动态模型136
　　5.4.4　系统的容错性能137
　5.5　航空多余度机电作动器140
　　5.5.1　双余度结构的机电作动器140
　　5.5.2　四余度结构的机电作动器143
　　5.5.3　四余度机电作动器的容错特性与可靠性145
　本章小结147
　习题148
第6章　异步电动机变频调速系统149
　6.1　异步电动机变频调速稳态特性149
　　6.1.1　自然机械特性149
　　6.1.2　变频调速的基本控制方式150
　　6.1.3　电压频率协调控制的机械特性151
　6.2　变频调速的运行控制154
　　6.2.1　电压频率协调控制的低速电压补偿154
　　6.2.2　变频调速的起动控制157
　　6.2.3　变频调速的制动控制159
　6.3　转速开环的变频调速系统161
　　6.3.1　电压单闭环控制的调速系统161
　　6.3.2　升速与降速控制方法162
　　6.3.3　系统动态数学模型166
　6.4　转速闭环的转差角速度控制的变频调速系统168
　　6.4.1　转差角速度控制的基本原理168
　　6.4.2　转差角速度控制的变频调速系统170
　　6.4.3　系统动态结构图171
　　6.4.4　转差角速度控制调速系统的特点171
　本章小结172
　习题173
第7章　同步电动机矢量控制调速系统174
　7.1　同步电动机的数学模型174
　　7.1.1　同步电动机的基本电磁关系174
　　7.1.2　交流绕组的坐标变换177
　　7.1.3　同步电动机d、q、o坐标系的数学模型181
　7.2　同步电动机的矢量控制183
　　7.2.1　磁链、磁动势的空间矢量关系183
　　7.2.2　转子磁链定向的矢量控制184
　　7.2.3　气隙磁链定向的矢量控制187
　　7.2.4　定子磁链定向的矢量控制189
　　7.2.5　同步电动机的转子位置测量191
　7.3　永磁同步电动机矢量控制调速系统194
　　7.3.1　调速基本原理194
　　7.3.2　单闭环调速系统195
　　7.3.3　双闭环调速系统197
　　7.3.4　电流滞环控制的调速系统201
　　7.3.5　航空双通道交流伺服控制系统201
　7.4　电磁式同步电动机矢量控制调速系统204
　　7.4.1　磁链开环的矢量控制调速系统204
　　7.4.2　磁链闭环的矢量控制调速系统206
　　7.4.3　同步电动机的功率因数控制208
　本章小结210
　习题211
第8章　异步电动机矢量控制调速系统212
　8.1　异步电动机的动态数学模型212
　　8.1.1　异步电动机基本电磁关系213
　　8.1.2　异步电动机在同步旋转坐标系上的数学模型216
　　8.1.3　在其他坐标系上的数学模型219
　8.2　异步电动机的矢量控制方法221
　　8.2.1　转子磁链定向的数学模型221
　　8.2.2　异步电动机矢量控制方法222
　　8.2.3　异步电动机转子磁链模型224
　8.3　异步电动机转子磁链定向控制的调速系统226
　　8.3.1　磁链开环的转差型矢量控制调速系统226
　　8.3.2　磁链闭环的电压型矢量控制调速系统228
　　8.3.3　磁链闭环的电流滞环矢量控制调速系统231
　8.4　异步电动机直接转矩控制的调速系统233
　　8.4.1　直接转矩控制系统的原理233
　　8.4.2　直接转矩控制系统235
　　8.4.3　直接转矩控制系统的特性分析238
　本章小结239
　习题239
第9章　开关磁阻电动机调速系统240
　9.1　开关磁阻电动机的结构和工作原理240
　　9.1.1　开关磁阻电动机的结构240
　　9.1.2　常用的功率控制电路243
　　9.1.3　开关磁阻电动机的基本电磁关系244
　9.2　SR电动机的电流和转矩特性247
　　9.2.1　开关磁阻电动机的电流波形247
　　9.2.2　不考虑饱和效应的SR电动机的转矩特性249
　　9.2.3　考虑饱和效应的SR电动机的转矩特性252
　9.3　SR电动机的运行控制255
　　9.3.1　SR电动机的控制方法256
　　9.3.2　SR电动机的调速控制258
　　9.3.3　SR电动机的起动与制动控制260
　9.4　SR电动机转速闭环控制的调速系统262
　　9.4.1　SR电动机线性化动态模型262
　　9.4.2　单闭环调速系统264
　　9.4.3　双闭环调速系统266
　9.5　开关磁阻电机在航空中的应用268
　　9.5.1　航空开关磁阻起动/发电机系统(SR-S/G系统)268
　　9.5.2　大功率机电作动器270
　本章小结270
　习题270
参考文献271