电气传动自动控制原理与设计.docx

1、电 气 传 动 自 动 控 制原 理 与 设 计易 继 锴 江 祥 贤侯 媛 彬 杨 玉 珍 编 著北 京 工 业 大 学 出 版 社内 容 简 介本 书 系统 地 阐 述 了 电 力 电 子 技 术 、 直 流 传 动 、 随 动 系 统和 交 流 传 动 等 领 域 的 基 本 理论 及 工 程 实 用 的 基 本 技 术 , 包括 电 力 电 子 器 件 的 原 理 、 特 性 参 数 、 应 用 电 路 ; 单 闭 环 和 双 闭 环 有 环 流 、 无 环 流 直 流 调 速 系 统 原 理 及 其 工 程 设 计 ; 随 动 系 统 设 计 特 点 , 检 测 元 件 , 放 大

2、电 路 , 数 字 正 弦 波 P WM 电 路 设 计 ; 交 流 串 级 调 速 , 矢 量 变 换 变 频 调 速 , 无 换 向 器 电 动 机 调 速 ; 常 规 PID 控 制 , 滑 模 变 结 构 控 制 , 自 适 应 鲁 棒 控 制 , 模 糊 控 制 等 设 计 技 术 。 本 书 内容 新 颖 , 信 息 量 大 , 着 重 工 程 概 念 的 叙 述 , 为 读 者 提 供 了 各 种 可 供 选 择 的 设 计 方 案 和 参 考 数 据 , 给 出 了 有 关 计 算 公 式 , 涉 及 了 正 在 发 展 中 的 各 种 实 用 方 法 , 其 内 容 既 有

3、先 进 性 和 系 统 性 , 又 有 很 强 的 实 用 性 。本 书 可 作 为高 等 院 校 自 动 控 制 、 电 气 自 动 化 、 仪 表 及 过 程 控 制、 计 算 机 应用 等 专 业 的 教 材 或 教 学 参 考书 ,也 可 供 有 关 工 程 技 术 人 员 阅 读 参 考 。电 气 传 动 自 动 控 制 原 理 与 设 计易 继 锴 江 祥 贤侯 媛 彬 杨 玉 珍编 著北 京 工 业 大 学 出 版 社 出 版 发 行 各 地 新 华 书 店 经 销 徐 水 宏 远 印 刷 厂 印 刷1 9 97 年 1 0 月 第 1 版 1 99 7 年 10 月 第 1 次

4、 印 制7 8 7m m 1 0 92 m m 1 6 开 本 31 . 5 印 张 7 7 6 千 字IS BN 7 -5 6 39 -0 6 06 -1 / T 6 0印 数 : 1 25 0 0 册定 价 : 3 0 .0 0 元前 言随 着 电 力 电 子 器 件 、 计 算 机 技 术 和 控 制 理 论 的 迅 速 发 展 , 电 气 自 动 化 技 术 也 在 日 新 月 异 的 变 化 , 电 气 传 动 自 动 化 技 术 已 广 泛 应 用 于 各 个 工 程 领 域 。 目 前 , 功 率 集 成 电 路 已 将 主 电 路 器 件 、 控 制 驱 动 、 保 护 等 汇

5、 集 成 一 体 , 为 电 气 传 动 自 动 控 制 系 统 机 电 一 体 化 开 辟 了 广 阔 的 前 景 , 数 字 PW M 技 术 、 微 机 控 制 及 各 种 新 型 控 制 技 术 , 如 滑 模 变 结 构 控 制 、 自 适 应 控 制 、 鲁 棒 控 制 、 模 糊 控 制 等 , 已 日 益 渗 入 各 类 电 气 传 动 控 制 系 统 中 。根 据 电 气 自 动 化 多 学 科 交 叉 技 术 的 发 展 , 为 了 在 教 学 上 拓 宽 专 业 面 , 淡 化 专 业 界 限 , 增 强 学 生 面 向 社 会 的 适 应 性 , 特 在 原 教 学 的

6、 基 础 上 编 写 出 版 了 本 教 材 。本 书 主 要 特 点 是 : 结 构 新 颖 , 信 息 量 大 , 内 容 深 入 浅 出 , 理 论 联 系 实 际 , 着 重 工 程 概 念 和 基 本 原 理 叙 述 , 提 供 了 各 种 可 供 选 择 的 设 计 方 案 和 参 考 数 据 , 给 出 了 有 关 计 算 公 式 , 涉 及 了 正 在 发 展 中 的 各 种 实 用 方 法 , 既 有 实 用 性 , 又 具 有 先 进 性 和 系 统 性 。 本 书 还 提 供 了 大 量 数 据 和 技 术 资 料 , 既 可 作 为 高 等 学 校 自 动 控 制 、

7、仪 表 及 过 程 控 制 、 电 气 自 动 化 、 计 算 机 应 用 及 相 关 专 业 的 本 科 生 或 专 科 生 的 教 材 或 教 学 参 考 书 , 也 可 作 为 从 事 电 气 自 动 化 领 域 工 作 的 工 程 技 术 人 员 的 阅 读 参 考 书 。全 书 共 分 四 篇 十 五 章 。 第 一 篇 介 绍 了 晶 闸 管 、 电 力 晶 体 管 、 功 率 场 效 应 管 、 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 等 电 力 电 子 器 件 的 原 理 、 特 性 、参 数 , 串 并 联 应 用 ; 交 流 / 直 流 、 直 流 / 交 流 、 直 流 / 直流

8、 等 的 各 类 电 力 电 子 变 换 电 路 。 第 二 篇 介 绍 了 直 流 单 闭 环 不 可 逆 调 速 系 统 , 转 速 、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 及 其 典 型 工 程 设 计 方 法 , 可 控 环 流 、 逻 辑 无 环 流 、 错 位 无 环 流 等 可 逆 调 速 系 统 , 直流 脉 宽 调 制 调 速 系 统 , 直 流 调 速 系 统 的 状 态 变 量 反 馈 控 制 、 滑 模 变 结 构 控 制 、 自 适 应 控 制 。 第 三 篇 介 绍 了 随 动 系 统 的 特 点 , 位 置 检 测 和 速 度 检 测 元 件 , PW M 功 率

9、 放 大 器 , 执 行 电 机 , 系 统 的 常 规 设 计 , 复 合 控 制 , 离 散 二 次 型 设 计 , 滑 模 变 结 构 控 制 , 鲁 棒 自 适 应 控 制 , 数 字 PID 控 制 。 第 四 篇 介 绍 了 交 流 调 压 调 速 和 线 绕 式 异 步 电 动 机 串 级 调 速 , 转 差 频 率 控 制 的 变 频 调 速 , 矢量 变 换 控 制 的 变 频 调 速 , 无 换 向 器 电 动 机 调 速 系 统 , 交 流 调 速 系 统 的 模 糊 控 制 器 设 计 。本 书 1.1 1.3、第 2 章 、 3.1、 4.1、 4.4 节 、 第 1

10、2 章 、1 3 章 、 14 章 、第 四 篇 习 题 等 内 容 由 江 祥 贤 副 教 授 执 笔 , 1.4、 1.5、 3.2、 4.2 4.5 节 、 第 一 篇 习 题 、 第 二篇 习 题 等 内 容 由 杨 玉 珍 副 教 授 执 笔 , 第 5 章 、 6 章 、 7 章 、 8 章 、 9 章 、 10 章 、 11 章 、 12.1 节 、 第 15 章 、 第 三 篇 习 题 及 各 篇 小 结 等 内 容 均 由 侯 媛 彬 副 教 授 、 易 继 锴 教 授 执 笔 , 全 书 由 易 继 锴 教 授 统 稿 。 东 南 大 学 赵 家 壁 教 授 、 冷 增 祥

11、 教 授 , 西 安 交 通 大 学 韩 崇 昭 教 授 曾 对 书 稿 内 容 提 出 过 许 多 宝 贵 意 见 和 建 议 , 北 京 工 业 大 学 出 版 社 李 志 恒 副 总 编 为 本 书 的 出 版 做 了 许 多 工 作 , 在 此 一 并 表 示 衷 心 的 感 谢 。 本 书 由 北 京 工 业 大 学 教 材 出 版 基 金 资 助 出 版 。由 于 编 者 水 平 所 限 , 书 中 错 误 或 不 当 之 处 在 所 难 免 , 殷 切 期 望 读 者 批 评 指 正 。编 者1996 年 12 月目 录前 言第 一 篇 电 力 电 子 器 件 及 电 路第 一

12、章 电 力 电 子 器 件 的 基 本 原 理 ( 1)1.1 概 述 ( 1)1.2 普 通 晶 闸 管 ( 1)1.2.1 晶 闸 管 及 其 工 作 原 理 ( 2)1.2.2 晶 闸 管 的 静 态 特 性 及 主 要 参 数 ( 5)1.2.3 晶 闸 管 的 动 态 特 性 及 参 数 ( 8)1.2.4 晶 闸 管 的 派 生 器 件 ( 11)1.3 电 力 晶 体 管 ( GT R ) ( 15)1.3.1 电 力 晶 体 管 的 工 作 原 理 及 静 态 输 出 特 性 ( 15)1.3.2 电 力 晶 体 管 的 开 关 特 性 ( 17)1.3.3 电 力 晶 体 管

13、 的 二 次 击 穿 与 安 全 工 作 区 ( 18)1.3.4 电 力 晶 体 管 的 极 限 运 行 参 数 ( 20)1.4 功 率 场 效 应 管 ( M OSF ET ) ( 20)1.4.1 M O SF ET 的 基 本 工 作 原 理 及 静 态 输 出 特 性 ( 21)1.4.2 M O SF ET 的 开 关 特 性 ( 24)1.4.3 M O SF ET 的 安 全 工 作 区 ( 25)1.4.4 M O SF ET 的 主 要 参 数 ( 25)1.5 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( IGBT ) ( 26)1.5.1 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 的 结

14、 构 与 工 作 原 理 ( 27)1.5.2 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 的 特 性 ( 28)1.5.3 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 的 锁 定 效 应 ( 29)1.5.4 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 的 安 全 工 作 区 ( 29)1.5.5 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 的 主 要 参 数 ( 30)第 二 章 电 力 电 子 变 换 电 路 ( 31)2.1 交 流 / 直 流 ( A C/ DC) 变 换 可 控 整 流 电 路 ( 31)2.1.1 概 述 ( 31)2.1.2 单 相 半 波 可 控 整 流 电 路 ( 32)2.1.3 单 相 全 波 可 控

15、 整 流 电 路 ( 36)2.1.4 三 相 半 波 可 控 整 流 电 路 ( 39)2.1.5 三 相 桥 式 可 控 整 流 电 路 ( 42)2.1.6 整 流 变 压 器 漏 抗 对 整 流 电 路 的 影 响 ( 48)2.1.7 有 源 逆 变 电 路 ( 51)1( 58)( 65)( 69)( DC/ DC) 变 换 ( 74)( 74)( 78)( 81)( 81)( 81)( 82)( 89)( 90)( 93)( 98)( 99)( 105)( 109)2.1.8 相 控 整 流 电 路 的 主 要 性 能 指 标 ( 54)2.2 直 流 / 交 流 ( DC/ A

16、 C) 变 换 无 源 逆 变 电 路 ( 56)2.2.1 概 述 ( 56)2.2.2 交 直 交 电 压 型 逆 变 器2.2.3 交 直 交 电 流 型 逆 变 器2.2.4 脉 宽 调 制 ( P WM ) 逆 变 器2.3 交 流 / 交 流 ( A C/ A C) 变 换 与 直 流 / 直 流2.3.1 交 流 / 交 流 ( A C/ AC) 变 换 交 交 变 频 器2.3.2 直 流 / 直 流 ( DC/ DC) 变 换 直 流 斩 波 器第 三 章 电 力 电 子 器 件 驱 动 电 路3.1 晶 闸 管 触 发 电 路3.1.1 概 述3.1.2 分 立 式 相 控

17、 同 步 模 拟 触 发 电 路3.1.3 触 发 电 路 同 步 信 号 的 选 择3.1.4 集 成 式 相 控 同 步 模 拟 触 发 电 路3.1.5 数 字 触 发 电 路3.2 全 控 型 电 力 电 子 器 件 驱 动 电 路3.2.1 电 力 晶 闸 管 ( GT R) 基 极 驱 动 电 路3.2.2 功 率 场 效 应 管 ( MO SF ET ) 栅 极 驱 动 电 路3.2.3 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( IGBT ) 栅 极 驱 动 电 路第 四 章 电 力 电 子 器 件 串 并 联 应 用 与 保 护 ( 114)4.1 晶 闸 管 元 件 的 选 用 及

18、 串 并 联 ( 114)4.1.1 晶 闸管 元 件 的 容 量 选 择 ( 114)4.1.2 晶 闸 管 元 件 的 串 联 与 并 联 ( 114)4.2 电 力 晶 体 管 元 件 的 并 联 ( 116)4.3 功 率 场 效 应 管 元 件 的 并 联 ( 118)4.4 晶 闸 管 元 件 及 装 置 的 保 护 ( 118)4.4.1 过 电 压 保 护 ( 118)4.4.2 过 电 流 保 护 ( 121)4.4.3 电 压 上 升 率 和 电 流 上 升 率 的 限 制 ( 121)4.5 全 控 型 器 件 及 装 置 的 保 护 ( 121)4.5.1 全 控 型

19、器 件 开 通 与 关 断 缓 冲 电 路 ( 121)4.5.2 全 控 型 器 件 及 变 换 装 置 的 保 护 ( 124)第 一 篇 小 结 ( 127)习 题 一 ( 127)第 二 篇 直 流 调 速 系 统第 五 章 单 闭 环 直 流 调 速 系 统 ( 130)5.1 概 述 ( 130)25.1.1 调 速 基 本 概 念 ( 130)5.1.2 调 速 的 分 类 ( 130)5.1.3 调 速 系 统 的 静 态 指 标 ( 131)5.1.4 调 速 系 统 的 时 域 指 标 ( 132)5.1.5 开 环 和 闭 环 调 速 系 统 的 特 点 ( 133)5.

20、1.6 晶 闸 管 变 流 器 电 动 机 系 统 的 机 械 特 性 ( 135)5.2 直 流 单 闭 环 不 可 逆 调 速 系 统 ( 138)5.2.1 转 速 负 反 馈 调 速 系 统 ( 138)5.2.2 转 速 负 反 馈 调 速 系 统 的 动 态 分 析 ( 141)5.2.3 电 压 负 反 馈 调 速 系 统 ( 146)5.2.4 电 压 负 反 馈 加 电 流 补 偿 的 调 速 系 统 ( 148)5.2.5 无 静 差 调 速 系 统 ( 150)5.2.6 限 流 保 护 电 流 截 止 负 反 馈 ( 153)5.2.7 直 流 单 闭 环 不 可 逆

21、调 速 系 统 实 例 ( 156)第 六 章 双 闭 环 直 流 调 速 系 统 及 工 程 设 计 ( 158)6.1 转 速 、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 ( 158)6.1.1 转 速、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统的 特 点 ( 158)6.1.2 转 速 、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 的 工 作 原 理 ( 160)6.1.3 转 速 、 电 流 双 闭 环 调 速 系 统 的 工 程 设 计 法 ( 165)6.2 直 流 可 逆 调 速 系 统 ( 192)6.2.1 概 述 ( 192)6.2.2 可 控环 流 可 逆 调 速 系 统 ( 196)6

22、.2.3 逻 辑 无 环 流 可 逆 调 速 系 统 ( 200)6.2.4 错 位 无 环 流 可 逆 调 速 系 统 ( 206)6.3 直 流 脉 宽 调 制 调 速 系 统 ( 207)6.3.1 直 流 斩 波 器 电 动 机 调 速 系 统 ( 207)6.3.2 直 流 电 力 晶 体 管 脉 宽 调 制 调 速 系 统 ( 213)第 七 章 直 流 调 速 系 统 的 现 代 控 制 设 计 方 法 ( 221)7.1 能 控 性 与 能 观 性 理 论 在 直 流 调 速 系 统 中 的 应 用 ( 221)7.2 直 流 调 速 系 统 的 状 态 观 测 器 设 计 (

23、 223)7.2.1 状 态 变 量 反 馈 ( 223)7.2.2 线 性 调 节 器 的 设 计 ( 226)7.2.3 直 流 调 速 系 统 的 负 载 观 测 器 设 计 ( 229)7.3 直 流 调 速 系 统 的 滑 模 变 结 构 控 制 器 设 计 ( 233)7.3.1 概 述 ( 233)7.3.2 滑 模变 结 构 控 制 器 设 计 ( 234)7.4 直 流 调 速 系 统 的 自 适 应 控 制 ( 239)7.4.1 离 散 模 型 参 考 自 适 应 控 制 ( 239)7.4.2 直 流 电 机 转 速 自 适 应 控 制 ( 241)第 二 篇 小 结

24、( 243)3习 题 二 ( 244)第 三 篇 随 动 系 统第 八 章 随 动 系 统 及 其 检 测 元 件 ( 247)8.1 概 述 ( 247)8.1.1 随 动 系 统 的 定 义 ( 247)8.1.2 随 动 系 统 的 应 用 ( 247)8.1.3 随 动系 统 的 类 型 及 结 构 ( 247)8.1.4 随 动 系 统 设 计 概 要 ( 252)8.1.5 随 动 系 统 的 特 点 及 性 能 指 标 ( 252)8.2 随 动 系 统 的 位 置 检 测 元 件 ( 253)8.2.1 伺 服 电 位 器 ( 253)8.2.2 自 整 角 机 ( 255)8

25、.2.3 旋 转 变 压 器 ( 262)8.2.4 精 、 粗 测 角 线 路 ( 269)8.2.5 轴 转 角 数 字 编 码 器 ( 272)8.2.6 光 栅 ( 274)8.2.7 感 应 同 步 器 ( 276)8.3 随 动 系 统 的 速 度 检 测 元 件 ( 278)8.3.1 直 流 测 速 发 电 机 ( 278)8.3.2 交 流 测 速 发 电 机 ( 281)8.3.3 光 电 数 字 转 速 检 测 器 ( 284)第 九 章 随 动 系 统 的 功 率 放 大 器 及 执 行 电 机 ( 286)9.1 随 动 系 统 的 功 率 放 大 器 电 路 ( 2

26、86)9.1.1 脉 冲 宽 度 调 制 ( PW M ) 电 路 ( 286)9.1.2 正 弦 波 P WM 电路 ( 292)9.2 随 动 系 统 的 执 行 电 机 ( 299)9.2.1 直 流 伺 服 电 机 ( 299)9.2.2 交 流 伺 服 电 机 ( 308)9.2.3 步 进 电 机 ( 313)9.2.4 永 磁 直 流 无 刷 电 机 ( 317)9.2.5 伺 服 电 机 功 率 的 确 定 及 减 速 器 传 动 比 的 选 择 ( 320)第 十 章 随 动 系 统 的 常 规 控 制 设 计 方 法 ( 323)10.1 随 动 系 统 典 型 结 构 及

27、 稳 态 特 性 ( 323)10.2 随 动 系 统 频 率 法 设 计 ( 325)10.2.1 串 联 校 正 ( 325)10.2.2 反 馈 校 正 ( 并 联 校 正 ) ( 331)10.3 复 合 控 制 法 设 计 ( 333)10.3.1 复 合 控 制 的 概 念 及 不 变 性 原 理 ( 333)410.3.2 复 合 控 制 设 计 法 ( 334)10.4 数 字 PI D 控 制 ( 336)10.4.1 离 散 P ID 控 制 算 法 ( 337)10.4.2 参 数 整 定 规 则 ( 338)第 十 一 章 随 动 系 统 的 现 代 控 制 设 计 (

28、 340)11.1 随 动 系 统 的 离 散 最 优 二 次 型 设 计 ( 340)11.2 随 动 系 统 的 滑 模 变 结 构 控 制 设 计 ( 343)11.2.1 概 述 ( 343)11.2.2 滑 模 变 结 构 控 制 器 的 设 计 ( 345)11.3 随 动 系 统 的 鲁 棒 调 节 器 设 计 ( 347)11.3.1 鲁 棒 调 节 器 ( 347)11.3.2 一 种 自 适 应 鲁 棒 伺 服 系 统 的 设 计 ( 350)第 三 篇 小 结 ( 357)习 题 三 ( 358)第 四 篇 交 流 调 速 系 统第 十 二 章 交 流 调 压 调 速 和

29、 串 级 调 速 ( 361)12.1 概 述 ( 361)12.1.1 交 流 调 速 系 统 的 应 用 ( 361)12.1.2 交 流 调 速 系 统 的 分 类 ( 361)12.2 闭 环 控 制 的 异 步 电 动 机 调 压 调 速 系 统 ( 366)12.2.1 异 步 电 动 机 改 变 电 压 时 的 机 械 特 性 ( 366)12.2.2 三 相 交 流 调 压 电 路 ( 368)12.2.3 闭 环 控 制 的 调 压 调 速 系 统 ( 369)12.2.4 调 压 调 速 的 功 率 损 耗 ( 370)12.3 绕 线 式 异 步 电 动 机 串 级 调

30、速 系 统 ( 372)12.3.1 串 级 调 速 原 理 及 基 本 类 型 ( 372)12.3.2 串 级 调 速 系 统 电 动 机 转 子 电 路 的 工 作 状 态 ( 376)12.3.3 串 级 调 速 系 统 的 工 作 特 性 ( 378)12.3.4 双 闭 环 控 制 的 串 级 调 速 系 统 ( 381)12.3.5 串 级 调 速 的 效 率 和 功 率 因 数 ( 385)12.3.6 串 级 调 速 系 统 设 计 中 的 几 个 问 题 ( 387)十 三 章 交 流 电 动 机 变 频 调 速 系 统 ( 389)13.1 变 频 调 速 系 统 的 控

31、 制 方 式 及 其 机 械 特 性 ( 389)13.2 转 速 开 环 、 电 压 闭 环 恒 压 频 比 控 制 的 变 频 调 速 系 统 ( 394)13.2.1 转 速 开 环 、 电 压 闭 环 的 交 直 交 电 压 型 变 频 调 速 系 统 ( 394)13.2.2 转 速 开 环 、 电 压 闭 环 的 交 直 交 电 流 型 变 频 调 速 系 统 ( 397)13.2.3 采 用 SP WM 专 用 芯 片 的 变 频 调 速 系 统 ( 398)13.3 转 速 闭 环 、 转 差 频 率 控 制 的 变 频 调 速 系 统 ( 402)513.3.1 转 差 频

32、率 控 制 的 基 本 概 念 ( 402)13.3.2 转 差 频 率 控 制 规 律 ( 404)13.3.3 转 速 闭 环 、 转 差 频 率 控 制 的 变 频 调 速 系 统 ( 405)13.4 异 步 电 动 机 矢 量 变 换 控 制 系 统 ( 407)13.4.1 矢 量 变 换 控 制 的 基 本 概 念 ( 407)13.4.2 坐 标 变 换 和 矢 量 变 换 ( 409)13.4.3 矢 量 变 换 控 制 的 异 步 电 动 机 数 学 模 型 ( 412)13.4.4 转 子 磁 链 的 检 测 ( 418)13.4.5 矢 量 变 换 控 制 的 变 频

33、调 速 系 统 ( 420)13.4.6 小 结 ( 423)第 十 四 章 无 换 向 器 电 动 机 调 速 系 统 ( 425)14.1 概 述 ( 425)14.2 无 换 向 器 电 动 机 的 工 作 原 理 ( 426)14.2.1 直 流 电 动 机 的 基 本 原 理 ( 426)14.2.2 直 流 无 换 向 器 电 动 机 的 工 作 原 理 ( 427)14.2.3 交 流 无 换 向 器 电 动 机 的 工 作 原 理 ( 429)14.3 无 换 向 器 电 动 机 的 换 流 方 式 ( 430)14.3.1 反 电 势 换 流 ( 负 载 换 流 ) ( 43

34、0)14.3.2 电 源 换 流 ( 431)14.3.3 断 续 电 流 换 流 ( 431)14.4 无 换 向 器 电 动 机 的 基 本 特 性 ( 432)14.4.1 电 压 关 系 式 ( 432)14.4.2 转 速 公 式 与 调 速 方 法 ( 433)14.4.3 转 矩 关 系 式 ( 434)14.4.4 过 载 能 力 及 其 提 高 措 施 ( 436)14.5 无 换 向 器 电 动 机 的 数 学 模 型 及 调 速 系 统 工 程 设 计 ( 437)14.5.1 无 换 向 器 电 动 机 调 速 系 统 的 运 行 ( 437)14.5.2 无 换 向

35、器 电 动 机 调 速 系 统 的 数 学 模 型 ( 441)14.5.3 无 换 向 器 电 动 机 调 速 系 统 的 闭 环 控 制 ( 444)第 十 五 章 交 流 调 速 系 统 的 模 糊 控 制 器 设 计 ( 448)15.1 模 糊 数 学 的 基 本 概 念 ( 448)15.1.1 模 糊 子 集 的 基 本 概 念 ( 449)15.1.2 模 糊 集 合 的 运 算 ( 450)15.1.3 模 糊 关 系 及 模 糊 关 系 矩 阵 运 算 ( 452)15.2 模 糊 自 动 控 制 工 作 原 理 ( 454)15.3 模 糊 控 制 器 设 计 ( 456

36、)15.3.1 精 确 量 的 Fuzzy 化 ( 456)15.3.2 F uzzy 控 制 规 则 的 构 成 ( 457)15.3.3 输 出 信 息 的 F uzzy 判 决 ( 464)15.3.4 基 本 模 糊 控 制 器 ( 465)615.4 模 糊 控 制 在 交 流 调 速 中 的 应 用 ( 466)15.4.1 交 流 调 速 系 统 的 模 糊 模 型 ( 466)15.4.2 变 频 调 速 系 统 模 糊 控 制 器 设 计 ( 471)第 四 篇 小 结 ( 474)习 题 四 ( 475)附 录 交 流 调 速 装 置 简 介 ( 477)附 1 交 流 电

37、 动 机 晶 闸 管 交 直 交 变 频 器 调 速 装 置 ( 477)附 2 无 换 向 器 电 动 机 晶 闸 管 调 速 装 置 ( 478)附 3 大 功 率 晶 体 管 ( GT R ) 脉 冲 调 制 ( PW M ) 调 速 装 置 ( 480)附 4 数 字 式 变 频 器 ( 480)附 5 交 流 绕 线 电 动 机 晶 闸 管 串 级 调 速 装 置 ( 484)参 考 文 献 ( 487)7第 一 篇 电 力 电 子 器 件 及 电 路电 力 电 子 学 包 括 电 力 电 子 器 件 、 电 力 电 子 电 路 和 电 力 电 子 装 置 及 其 控 制 系 统 ,

38、 核 心 是 变 流 器 。 就 学 科 观 点 而 言 , 电 力 电 子 技 术 是 介 于 电 气 工 程 三 大 领 域 ( 电 力 、 电 子 和 控 制 ) 之 间 的 边 缘 学 科 。本 篇 首 先 介 绍 电 力 电 子 器 件 , 包 括 不 能 自 关 断 的 半 控 型 晶 闸 管 及 能 自 关 断 的 全 控 型 器 件 , 如 电 力 晶 体 管 ( GT R ) 、 可 关 断 晶 闸 管 ( GT O) 、 功 率 场 效 应 晶 体 管 ( M OSFE T ) 等 。 在 此 基 础 上 , 分 析 和 讨 论 电 能 变 换 的 四 种 形 式 , 即

39、交 流 / 直 流 ( A C/ DC) 、 直 流 / 交 流 ( DC/ A C) 、交流/ 交 流 ( A C/ A C) 和 直 流 / 直 流 ( DC/ DC ) 。 其 中 尤 以 相 控 整 流 ( A C/ DC ) 和 无 源 逆 变 ( DC/ AC) 为 重 点 , 以 此 作 为 直 流 调 速 系 统 和 交 流 调 速 系 统 的 准 备 知 识 。第 一 章 电 力 电 子 器 件 的 基 本 原 理1.1 概 述50 年 代 末 出 现 的 无 自 关 断 能 力 的 半 控 型 普 通 晶 闸 管 是 第 一 代 电 力 电 子 器 件 。 随 着 变 流

40、技 术 的 发 展 而 出 现 的 能 自 关 断 的 全 控 型 器 件 , 如 电 力 晶 体 管 ( GT R ) 、 门 极 可 关 断 晶 闸 管 ( GT O ) 、 功 率 场 效 应 晶 体 管 ( M OSFE T ) 、 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 ( IGBT ) 、 静 电 感 应 晶 体 管( SI T ) 和 静 电 感 应 晶 闸 管 ( SIT H ) 等 称 之 为 第 二 代 电 力 电 子 器 件 或 功 率 集 成 器 件 。 当 今 已 发 展 到 的 功 率 集 成 电 路 ( P IC) , 属 于 第 三 代 电 力 电 子 器 件 。普 通

41、 晶 闸 管 电 压 、 电 流 定 额 都 比 较 高 , 是 目 前 大 容 量 变 流 电 源 广 泛 采 用 的 开 关 器 件 , 导 通 可 控 , 无 自 关 断 能 力 , 开 关 频 率 低 , 可 用 在 大 容 量 的 交 直 流 传 动 中 。可 关 断 晶 闸 管 ( GT O) 是 由 晶 闸 管 派 生 出 来 的 , 是 具 有 自 关 断 能 力 的 全 控 型 器 件 , 如 在 变 频 器 中 采 用 这 种 元 件 , 可 省 去 关 断 电 路 , 从 而 简 化 主 电 路 。 可 关 断 晶 闸 管 开 关 频 率 较 一 般 晶 闸 管 高 ,

42、但 其 关 断 增 益 ( 阳 极 电 流 与 关 断GT O 所 需 的 最 小 门 极 电 流 之 比 ) 小 。 电 力 晶 体 管 ( GT R ) 也 是 全 控 型 器 件 , 属电 流 控 制 元 件 , 开 关 频 率 高 , 在 正 弦 脉 宽 调 制 逆 变 器 中 得 到 广 泛 应 用 , 但 使 用 中 容 易 发 生 二 次 击 穿 , 故 需 设 置 阻 容 吸 收 电 路 。功 率 场 效 应 晶 体 管 ( M OSFE T ) 同 样 具 有 自 关 断 能 力 , 与 GT R 不 同 的 是 它 属 于 电 压 控 制 元 件 , 由 栅 极 电 压 来

43、 控 制 漏 极 电 流 , 因此 , 驱 动 电 路 功 率 小 , 开 关 频 率 更 高 。 由 于漏 极 电 流 温 度 系 数 是 负 的 , 不 易 出 现 热 点 和 图 1-1 不 同 器 件 的 变 流 器 容 量 与 开 关 频 率 的 关 系1二 次 击 穿 , 故 在 实 际 应 用 中 可 靠 性 高 , 其 缺 点 是 电 压 、 电 流 定 额 比 较 低 , 多 用 在 小 容 量 的 PW M变 频 系 统 中 。总 的 说 来 , 由 于 电 流 、 电 压 定 额 和 开 关 时 间 的 不 同 , 根 据 技 术 经 济 指 标 的 分 析 , 每 种

44、器 件 各 有 其 不 同 的 应 用 范 围 , 图 1-1 表 示 了 由 各 种 器 件 构 成 的 变 流 器 容 量 和 开 关 频 率 的 相 对 关 系 。80 年 代 后 期 , 新 型 电 力 电 子 器 件 发 展 很 快 , 为 了 在 GT R 和 M OSFE T 之 间 取 长 补 短 , 出 现 了 绝 缘 栅 双 极 晶 体 管 IGBT 。 I GBT 具 有 同 GT R 一 样 的 功 率 处 理 能 力 , 同 功 率 M OSFE T 类 似 的 开 关 特 性 。 目 前 已 产 品 化 的 I GBT 电 流 容 量 为 8A 400A , 电 压

45、 为 600V、 1200V , 开 关 频 率 可 达 20kH z 以 上 。 M OS 控 制 的 晶 闸 管 M CT 是 在 IGBT 的 基 础 上 发 展 起 来 的 , 其 通 态 压降 仅 为 IGBT 的 1 , 开 关 速 度 超 过 GT R , di du 耐 量 高 , 目 前 M CT 的 单 管 容 量 可 达 1200V 、3 dt 、 td100A 。最 近 出 现 的 功 率 集 成 电 路 PI C 则 属 于 第 三 代 电 力 电 子 器 件 。 在 PI C 中 , 不 仅 含 有 主 电 路 的 器 件 , 而 且 把 驱 动 电 路 以 及 过

46、 压 过 流 保 护 、 电 流 检 测 甚 至 温 度 自 动 控 制 等 电 路 都 集 成 在 一 起 , 形 成 一 个 整 体 。 它 将 为 运 动 控 制 系 统 的 机 电 一 体 化 开 辟 广 阔 的 前 景 。 P IC 的 主 要 技 术 障 碍 是 高 低 压 电 路 之 间 的 绝 缘 问 题 以 及 温 升 和 散 热 的 有 效 处 理 问 题 。电 力 电 子 器 件 的 发 展 情 况 可 大 致 归 纳 成 表 1-1。表 1-1 电 力 电 子 器 件 发 展 简 表第 一 代 半 控 器 件第 二 代 自 关 断 器 件第 三 代 功 率 集 成 电

47、路电 流 控 制 电 场 控 制电 力 晶 体 管 结 型 、 静 电 感 应 晶 体 功 率 M O S 晶 体 管硅 整 流 二 极 管 ( SR ) ( M OSF E T ) 高 压 集 成 电 路晶 体 闸 流 管 ( SCR) 、 绝 缘 栅 场 控 双 极 型( T H ) : 普 通 、 快 速 、( GT R) 管 ( F E T ) ( SIT )晶 体 管 ( IGBT ) SM ART 功 率双 向 、 逆 导 、 高 频 、 光 集 成 电 路控 等可 关 断 晶 闸 管( G T O)静 电 感 应 晶 闸 管( F CT ) ( S IT H )MO S 场 控

48、晶 闸 管( M CT ) ( SP IC)从 上 述 发 展 可 以 明 显 地 看 到 , 电 力 电 子 器 件 的 发 展 是 整 个 运 动 控 制 系 统 乃 至 过 程 控 制 系 统 发 展 的 先 导 , 随 着 微 电 子 技 术 和 电 力 电 子 技 术 更 好 地 结 合 与 发 展 , 将 会 推 动 自 动 化 领 域 的 更 大 发 展 。1.2 普 通 晶 闸 管1.2.1 晶 闸 管 及 其 工 作 原 理我 国 目 前 生 产 的 晶 闸 管 , 从 外 形 上 看 , 根 据 不 同 容 量 有 三 种 形 式 , 即 : 塑 料 封 装 式 、 螺 栓 式 和 平 板 式 。 晶 闸 管 有 三 个 电 极 , 阳 极 A 、 阴 极 K 和 门 极 ( 或 称 控 制 极 ) G。 晶 闸 管 在 开 关 工 作 过 程 中 会 有 损 耗 而 发 热 , 依 靠 与 晶 闸 管 紧 密 接 触 的 散 热 器 可 将 热 量 传 递 给 冷 却 介 质 。 冷 却 方 式 通 常 采 用 自 然 冷 却 、 强 迫 风 冷 和 水 冷 。 一 般 说 来 , 20A 及 以 下 采 用 自 然 冷 却 ; 30A 2200A 采 用 强 迫 风 冷 ; 30