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第1章 绪论1

1.1　发展历史1

1.2 电力牵引交流传动与控制系统的现状及发展趋势3

1.2.1 电力电子器件4

1.2.2　控制理论5

1.2.3 交流传动系统的控制技术6

1.2.4　变频电机技术7

1.2.5 牵引传动新技术8

习题10

第2章 电力牵引传动系统设计基础11

2.1　列车牵引计算基础11

2.1.1 列车运行过程的数学描述11

2.1.2 列车牵引力12

2.1.3 列车阻力15

2.1.4 列车牵引特性16

2.1.5 粘着控制18

2.2　牵引供电系统简介20

2.3 电力牵引交流传动系统简介23

2.3.1 电力牵引传动系统分类23

2.3.2 电力牵引交流传动系统组成23

2.4　牵引传动系统的优化匹配与容量选定28

2.4.1 牵引变流器与牵引电机的参数匹配28

2.4.2 牵引系统与机械传动的匹配29

2.4.3 牵引传动系统容量的计算30

2.5　牵引电机设计时要考虑的几个特殊问题33

习题34

第3章 变频调速异步电动机的控制方式35

3.1　频率调节时异步电动机的等值电路及转矩表示35

3.1.1 变频调速异步电动机的等值电路35

3.1.2 变频调速异步电动机的转矩公式37

3.2　恒磁通控制38

3.2.1　概述38

3.2.2　恒磁通运行39

3.3　恒电压／频率比控制41

3.4　恒转子全磁通控制44

3.5　恒功率控制44

3.6 列车牵引中变频调速系统的调节特性47

3.7　谐波分析49

3.7.1　谐波等值电路51

3.7.2　谐波电流52

3.7.3　谐波转矩54

3.8　仿真案例56

习题57

第4章　变频调速异步电动机的数学模型58

4.1 三相异步电动机的数学模型58

4.1.1 电压方程58

4.1.2　磁链方程59

4.1.3　转矩方程60

4.1.4　运动方程61

4.2　常用的坐标系和坐标变换61

4.2.1 常用的坐标系61

4.2.2 坐标变换的原则及约束条件62

4.2.3 坐标变换的基本思路63

4.2.4　三相／两相变换（3/2变换）65

4.2.5 两相／两相旋转变换（2s/2r变换）67

4.2.6 直角坐标／极坐标变换（K/P变换）67

4.3　三相异步电动机在两相坐标系上的数学模型68

4.3.1　异步电动机在两相任意旋转坐标系（dq坐标系）上的数学模型68

4.3.2　异步电动机在两相静止坐标系（αβ坐标系）上的数学模型71

4.3.3 异步电动机在两相同步旋转坐标系上的数学模型72

4.4　三相异步电动机在两相坐标系上的状态方程72

4.4.1　ωr-Ψr-is状态方程72

4.4.2　ωr-Ψs-is状态方程74

4.4.3　ωr-Ψr-Ψs状态方程74

4.5　异步电动机的建模仿真75

习题77

第5章 脉冲整流器主电路及其控制78

5.1　脉冲整流器概述78

5.1.1 引言78

5.1.2　脉冲整流器的等效电路模型79

5.1.3 脉冲整流器的工作原理81

5.2　两电平脉冲整流器主电路84

5.2.1 两电平脉冲整流器的结构与工作原理84

5.2.2　两电平脉冲整流器的SPWM调制原理87

5.3　三电平脉冲整流器主电路88

5.3.1 三电平脉冲整流器的结构与工作原理88

5.3.2　三电平脉冲整流器SPWM调制原理90

5.3.3　三电平脉冲整流器中点电位平衡策略91

5.4 中间直流回路的功能与参数93

5.4.1 串联谐振电路93

5.4.2 支撑电容器94

5.5　脉冲整流器谐波产生机理95

5.5.1　低次谐波产生机理96

5.5.2 高次谐波产生机理97

5.6　脉冲整流器控制技术98

5.6.1 脉冲整流器的可变相位角控制策略100

5.6.2 瞬态直接电流控制策略103

5.6.3　预测直接电流控制策略104

5.6.4 多重化脉冲整流器的载波移相技术105

5.7　仿真案例108

习题109

第6章 牵引逆变器主电路及其控制111

6.1　两电平牵引逆变器主电路111

6.1.1 两电平牵引逆变器的结构与工作原理111

6.1.2 两电平牵引逆变器方波控制113

6.1.3 两电平牵引逆变器SPWM控制117

6.1.4 两电平牵引逆变器SVPWM控制121

6.2　三电平牵引逆变器主电路126

6.2.1 三电平牵引逆变器的结构与工作原理126

6.2.2 三电平牵引逆变器方波控制128

6.2.3 三电平牵引逆变器SPWM控制132

6.2.4 三电平牵引逆变器SVPWM控制133

6.3 SPWM与SVPWM的关联性140

6.3.1 脉宽调制的基本类型140

6.3.2 关联性存在的前提143

6.3.3 参考信号与空间矢量扇区之间的关系144

6.3.4 参考信号与空间矢量之间的关系145

6.3.5 基波参考信号与空间矢量之间的关系145

6.3.6 零序信号与零矢量的分布146

6.3.7 SPWM与SVPWM的开关模式147

6.4　仿真案例149

习题154

第7章 异步电动机的矢量控制系统155

7.1　矢量控制基本思想155

7.2　异步电动机矢量控制的实现157

7.2.1 矢量控制的基本方程157

7.2.2 坐标变换电路160

7.2.3　转子磁链观测模型161

7.3 电力牵引传动中磁场定向矢量控制方案166

7.3.1 转差频率矢量控制系统166

7.3.2 直接矢量控制系统170

7.4　仿真案例173

7.5　全数字化矢量控制系统设计175

7.5.1 全数字化矢量控制系统结构简介175

7.5.2 参数的离散化与数字化177

7.5.3　PI调节器的数字化178

7.5.4　数字化滤波器180

7.5.5　速度数字化采集181

7.6　智能控制在矢量控制系统中的应用182

7.6.1 神经网络转子磁链与电磁转矩估计器设计183

7.6.2　神经网络解耦控制器设计183

7.6.3　神经网络转矩控制器设计184

7.6.4 神经网络矢量控制系统184

习题185

第8章　异步电动机直接转矩控制系统186

8.1　直接转矩控制的基本原理186

8.1.1 电磁转矩控制原理186

8.1.2 空间电压矢量对定子磁链及转矩的作用187

8.2　异步电动机直接转矩控制的实现189

8.2.1 定子磁链与电磁转矩估计189

8.2.2　六边形磁链轨迹直接转矩控制190

8.2.3　近似圆形磁链轨迹直接转矩控制192

8.3 电力牵引传动中直接转矩控制方案195

8.3.1　低速范围的直接转矩控制策略196

8.3.2 高速范围内的控制策略200

8.3.3 弱磁范围内的控制策略201

8.3.4 附属控制环节203

8.4　仿真案例204

8.5　全数字化直接转矩控制系统设计208

8.6　矢量控制与直接转矩控制的内在联系210

8.7　模糊控制在直接转矩控制系统中的应用213

习题216

第9章 牵引传动系统无速度传感器控制217

9.1　概述217

9.2　转速估算方法218

9.2.1　转差频率计算法218

9.2.2　基于状态方程的直接综合法218

9.2.3　模型参考自适应法220

9.2.4　转速自适应磁链观测器（Luenberger观测器）法221

9.2.5 扩展卡尔曼滤波器（EKF）法226

9.2.6　滑模观测器法228

9.3　智能控制技术在无速度传感器控制中的应用229

9.3.1　基于神经网络的无速度传感器控制229

9.3.2 利用人工智能技术辨识电机参数变化232

9.4 电力牵引无速度传感器控制的带速重投研究233

习题238

第10章　直接驱动技术239

10.1　直接驱动技术概述239

10.1.1 直接驱动技术及其特点239

10.1.2 直接驱动牵引电机的现状与发展趋势240

10.1.3 直接驱动永磁同步牵引电机的特点与应用241

10.2　直接驱动永磁同步牵引电机理论基础243

10.2.1 永磁同步牵引电机的数学模型243

10.2.2 永磁同步牵引电机系统的稳态特性244

10.3　直接驱动永磁同步牵引电机控制策略248

10.3.1 永磁同步牵引电机控制策略248

10.3.2 永磁同步牵引电机控制系统在牵引传动系统中的应用257

10.4　全数字化永磁同步牵引电机控制系统的仿真与实现262

10.4.1 控制系统的仿真实现262

10.4.2 控制系统的全数字化实现266

习题267

附录1 4种动车组及3种大功率交流传动电力机车的主电路结构框图268

附录2　4种动车组及3种大功率交流传动电力机车各部分参数272

附录3　4种动车组及3种大功率交流传动电力机车的牵引特性曲线274

附录4　在功率不变条件下的坐标变换277

附录5 由三相静止坐标系到两相任意旋转坐标系的变换（3s/2r变换）280

附录6　交流传动实验介绍285

参考文献294