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交流電機控制與仿真技術:帶你掌握電動車與變頻技術核心算法(2版)

交流電機控制與仿真技術:帶你掌握電動車與變頻技術核心算法(2版)

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內容簡介

  本書除了詳細剖析感應電機、永磁同步電機與BLDC直流無刷電機的原理、運作機制以及控制策略,還包含了大量的MATLAB/SIMULINK電腦仿真範例程式供讀者使用,幫助讀者在理論與實務之間建立橋梁,並培養物理直覺與控制系統思維框架,此外,也涵蓋許多實務議題,如PWM變頻器模型、電機參數自學習算法、控制回路設計技術、無速度感測器技術、弱磁控制法、標么系統等,全部皆佐以MATLAB/SIMULINK進行模擬與驗證,讓讀者可以從本書獲得寶貴的知識與交流電機控制理論的實踐能力。
 

作者介紹

作者簡介

葉志鈞


  專長:馬達控制演算法、物聯網系統設計、計算機韌體技術

  作者於2011年於國立臺北科技大學獲得電機博士學位後,曾先後在台灣上市指標科技公司擔任高級技術研發職位,在電機控制及變頻技術演算法等領域深具經驗。並曾在《IET Electric Power Applications, EPA》、《Journal of the Chinese Institute of Engineers, JCIE》、機電整合雜誌與國內外研討會發表論文、技術文章十餘篇,獲得專利3項,著有《物聯網高手的自我修練》、《交流電機控制與仿真技術》、《交流電機控制回路設計》。

  作者的官方網站:電控人線上學院 YEHSTALK.SCHOOL有提供豐富的《交流電機控制》相關線上課程、服務與培訓,有興趣的讀者可以參考官網相關內容。
 
 

目錄

第一章 導論
1.1 交流電機驅動器的發展歷程
1.2 電機驅動的負載類型
1.3 交流電機驅動器性能指標
1.4 交流馬達驅動器全球市場概況
1.5 電機相較於傳統內燃機的優勢
1.6 交流電機控制關鍵技術
1.7 結論

第二章 三相交流電機空間向量模型   
2.1 直流分激式馬達原理
2.2 空間向量表示法
2.3 Clarke轉換(abc to αβ)
2.4 Park轉換(αβ to dq)
2.5 三相鼠籠式感應馬達空間向量模型
2.6 三相永磁馬達空間向量模型
2.7 結論

第三章 三相交流馬達磁場導向控制   
3.1. 鼠籠式感應馬達磁場導向控制
3.2 永磁同步馬達磁場導向控制
3.3 結論

第四章 PWM Inverter模型   
4.1 使用SPWM的單相半橋Inverter
4.2 使用SPWM的單相全橋Inverter
4.3 使用SPWM的三相VSI模型
4.4 使用三次諧波注入調變的三相VSI模型
4.5 加入偏移值調變的三相VSI模型
4.6. 空間向量調變法(SVPWM)的VSI模型
4.7 考慮死區效應的VSI模型
4.8. 結論

第五章 其它控制議題
5.1 交流電機速度無感測器技術
5.2 永磁同步馬達參數自學習技術
5.3 交流電機弱磁控制技術
5.4 標么系統(Per-Unit System)
5.5 控制器設計
5.6 單電阻三相電流重建技術

第六章 直流無刷馬達(BLDC)控制技術   
6.1 直流無刷馬達控制原理
6.2 直流無刷馬達控制系統模擬
6.3 直流無刷馬達弱磁控制技術
6.4 分離電源轉換器BLDC驅動架構
6.5 結論
附 錄 使用Model Linearizer自動找出SIMULINK控制系統波德圖  
 

再版序言

  本書自2023年六月初版以來,受到相當多海內外讀者的支持,從書籍的銷量與銷售速度可以得知,本書內容似乎相當契合了當今世界產業的發展方向,而在科技日新月異的時代,我們正面臨著一個歷史性的轉折,那就是電動車時代的來臨。隨著電動車的普及和自動化技術的進步,交流電機將逐步取代傳統的內燃機成為汽車的主要動力源。然而,要實現這一目標,仍需克服眾多挑戰,其中最關鍵的一個問題便是如何將理論與實務有效地融合

  在長期的研究與實務經驗中,筆者發現交流電機控制領域的教學與應用之間仍然存在一道不可忽視的鴻溝,讓許多人面對這門抽象的技術仍處於一知半解的狀態,多年前,筆者曾經就是這樣的學生,由於對理論知識的一知半解,在面對實務問題時,仍然傾向使用試誤法,而非使用直覺性的物理知識與控制系統思維來解決交流電機的實務問題。

  在工業界經過多年的理論實踐與反思後,筆者創作本書,旨在為讀者提供一個全面且富實踐性的交流電機控制學習指南。學習交流電機控制這門技術若要有所成效,則必須藉助實驗平台進行理論驗證,但實際上取得實驗平台通常有困難,因此需要依賴計算機仿真,因此本書除了詳細剖析交流電機的原理、運作機制以及控制策略外,還包含了大量的MATLAB/SIMULINK電腦仿真範例程式供讀者使用,幫助讀者在理論與實務之間建立橋樑,並培養物理直覺與控制系統思維框架,為電動車時代的技術創新鋪路,此外,隨著工業4.0和智能製造的快速發展,交流電機在自動化設備和智能系統中的應用將日益廣泛,因此,掌握交流電機控制與仿真技術在這個時代變得愈來愈重要。

  本書從基本原理出發,深入淺出地介紹了交流電機控制與仿真技術的各個方面,經過精心策劃和編撰,以確保讀者能夠全面理解和掌握交流電機控制相關技術。

  在第一章中,我們首先回顧了交流電機控制技術的發展歷程,並對比了電機與傳統內燃機的優勢。接著,透過探討電機驅動的負載類型、交流電機驅動器性能指標、核心技術以及市場概況,我們為讀者勾勒出交流電機控制技術與市場的全貌。

  在第二、三章中,我們深入探討了三相交流馬達空間向量模型及磁場導向控制技術,力求為讀者打造一個完整的理論體系。隨後,在第四章中,我們將重點放在PWM變頻器模型的研究,仔細探討了各種不同的弦波調變(SPWM)技術,幫助讀者更好地理解和運用這一技術。

  到了第五章,我們討論了眾多交流電機控制的相關議題,包括無感測器技術、參數自學習技術、弱磁控制技術、標么系統、控制器設計技術等。這些內容將使讀者更深入地了解交流電機控制的各個技術層面。

  最後,在第六章中,我們將視野擴展到直流無刷馬達(BLDC)控制技術,探討直流無刷馬達最廣為使用的120度控制法,為讀者提供一個更加全面的技術視角。

  我們深知,在交流電機控制技術的領域中,理論與實務之間存在著一道看似難以跨越的鴻溝,然而,本書正是為了幫助讀者逐步跨越這道障礙而誕生的,透過閱讀本書並操作每章節所提供的範例程式,讀者將能夠逐步掌握交流電機控制與仿真技術的核心理念,並學會如何將這些理念運用於實際應用。

  無論您是一位電機專業的學生、教師,還是工程師,都將從本書中獲得寶貴的知識和實踐經驗,並期望能為廣大工程師、學者和愛好者提供實用的知識和技能,以攜手共創電動車時代的美好未來,成就一個更環保、更高效的世界。

  希望本書能為您的學習和工作帶來實質性的幫助,若有不足之處,敬請讀者指正。
 

詳細資料

  • ISBN:9786263931800
  • 規格:平裝 / 372頁 / 19 x 26 x 1.86 cm / 普通級 / 單色印刷 / 2版
  • 出版地:台灣
 

內容連載

1.4 交流馬達驅動器全球市場概況
 
截至2023年全球交流電機驅動器(又稱作變頻器)的市場規模已達到235億美元,到2028年預測將達到287億美元,2023年至2028年的年複合成長率為6.1%[6];而截至2022年,全球伺服電機與驅動器的市場規模已經達到122億美元,到2028年全球市場規模預測將達到162億美元,2023年至2028年的年複合成長率為4.7%[7]。若考慮使用交流驅動器的電動車市場規模,它將由2020年的960億美元,暴增到2030年的9900億美元與2040年的1兆9800億美元,已經遠勝千億美元的PC與手機產業。
 
愈來愈多的工業與民生需求是推動交流電機驅動器市場增長的主要因素之一。新興國家對高效電機與工業生產設備的需求正在增加,高鐵的發展也需要變頻器來控制電機、泵與風扇的速度,這也進一步促進了市場增長,對於製造業,變頻器也廣泛的運用在各種生產設備以提高生產率;對於電動車市場,交流馬達與交流電機驅動器更扮演了取代傳統內燃機的關鍵性角色,作為電動車動力的核心組件,可以預料交流電機驅動器又即將迎來市場新一波強勁的成長動能。
 
1.5 電機相較於傳統內燃機的優勢
 
目前電動汽車已經逐漸取代燃油汽車,此趨勢未來也將會加速進行,絕大部分電動車所使用的動力源主要為永磁同步電機與感應電機,其中永磁同步電機也須仰賴磁場導向控制方法才能夠被有效控制,而相較於傳統的內燃機,電機驅動有以下幾個優勢[7]:
 
• 效率:電動馬達的能源轉換效率通常要高於內燃機。內燃機的能源轉換效率通常在20%至40%之間,而電動馬達的效率可以高達90%甚至更高。這意味著電動馬達在將能源轉換為動力時,會產生更少的能量損失。
 
• 維護成本:電動馬達通常具有更簡單的機械結構,因此維護成本相對較低。內燃機需要定期更換機油、濾芯、火星塞等部件,而電動馬達則不需要這些維護項目。
 
• 環保:電動馬達不會產生廢氣排放,因此對環境影響較小。相比之下,內燃機會產生二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物等有害氣體,對環境和人類健康造成負面影響。

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