现代电力电子学与交流传动

书籍目录

主要符号表

第1章电力半导体器件1

1.1引言1

1.2二极管1

1.3晶闸管3

1.3.1伏安特性4

1.3.2开关特性4

1.3.3功率损耗和热阻抗5

1.3.4电流额定值6

1.4双向晶闸管7

1.5门极关断(GTO)晶闸管9

1.5.1开关特性9

1.5.2回馈式缓冲器11

1.6双极型晶体管(BPT或BJT)12

1.7电力MOSFET13

1.7.1VI特性13

1.7.2安全工作区(SOA)14

1.8静电感应晶体管(SIT)16

1.9绝缘栅双极型晶体管(IGBT)16

1.10MOS控制晶闸管(MCT)19

1.11集成门极换向晶闸管(IGCT)20

1.12大能量带隙材料在电力半导体器件中的应用20

1.13功率集成电路(PIC)21

1.14小结22

参考文献22

第2章交流电动机传动24

2.1引言24

2.2异步电动机25

2.2.1旋转磁场25

2.2.2转矩的产生27

2.2.3等效电路28

2.2.4转矩转速曲线32

2.2.5电动机的NEMA分类34

2.2.6变压恒频运行34

2.2.7变频运行35

2.2.8恒电压/频率运行36

2.2.9传动运行区域37

2.2.10变定子电流运行38

2.2.11谐波的影响40

2.2.11.1谐波发热 40

2.2.11.2电动机参数变化43

2.2.11.3转矩脉动43

2.2.12动态dq模型45

2.2.12.1坐标轴变换46

2.2.12.2同步旋转参考坐标系动态模型(Kron方程)50

2.2.12.3静止坐标系动态模型(Stanley方程)53

2.2.12.4动态模型的状态空间方程56

2.3同步电动机59

2.3.1绕线励磁电动机59

2.3.1.1等效电路60

2.3.1.2电磁转矩62

2.3.1.3凸极式电动机特性63

2.3.1.4动态de-qe电动机模型(Park模型)65

2.3.2同步磁阻电动机68

2.3.3永磁(PM)电动机68

2.3.3.1永磁材料68

2.3.3.2正弦波表面式永磁(SPM)电动机70

2.3.3.3正弦波嵌入式永磁(IPM)电动机71

2.3.3.4梯形波表面式永磁(SPM)电动机73

2.4可变磁阻电动机(VRM)74

2.5小结76

参考文献76

第3章二极管及相控变流器77

3.1引言77

3.2二极管整流器77

3.2.1单相桥式电路——电阻、阻感负载78

3.2.2电源电感的影响80

3.2.3单相桥式电路——阻感、反电动势（CEMF）负载81

3.2.4单相桥式电路——阻容负载81

3.2.5畸变因数、位移功率因数和功率因数83

3.2.6畸变因数(DF)83

3.2.7位移功率因数(DPF)83

3.2.8功率因数(PF)84

3.2.9三相全桥电路——阻感负载84

3.2.10三相全桥电路——阻容负载86

3.3晶闸管变流器88

3.3.1单相桥式电路——阻感、反电动势负载88

3.3.2不连续导电模式91

3.3.3三相变流器——阻感、反电动势负载93

3.3.4三相半波变流器94

3.3.5电源漏感(Lc)分析97

3.3.6三相桥式变流器100

3.3.7三相桥式变流器的不连续导电模式103

3.3.8三相双组桥变流器106

3.3.96脉波中心抽头变流器106

3.3.1012脉波变流器108

3.3.11桥式变流器的并行控制和顺序控制109

3.4变流器控制110

3.4.1线性触发延迟角控制110

3.4.2余弦交点控制111

3.4.3锁相振荡器原理112

3.5电磁干扰(EMI)及电网供电质量问题115

3.5.1EMI问题116

3.5.2电网谐波问题116

3.6小结117

参考文献118

第4章交交变频器119

4.1引言119

4.2相控交交变频器119

4.2.1基本运行原理119

4.2.2三相双组变流器用作交交变频器120

4.2.3交交变频器电路结构123

4.2.3.1三相半波交交变频器123

4.2.3.2三相桥式交交变频器124

4.2.4有环流模式和无环流模式的比较126

4.2.4.1有环流模式126

4.2.4.2无环流模式129

4.2.5负载和电网谐波130

4.2.5.1负载电压谐波130

4.2.5.2电网电流谐波133

4.2.6电网位移功率因数135

4.2.7交交变频器的控制140

4.2.8改善DPF的方法141

4.2.8.1方波运行141

4.2.8.2不对称触发延迟角控制142

4.2.8.3环流控制144

4.3矩阵式变流器145

4.4高频交交变频器147

4.4.1高频相控交交变频器147

4.4.2高频、整数脉冲交交变频器147

4.4.2.1正弦供电147

4.4.2.2准方波供电148

4.5小结149

参考文献149

第5章电压源型变流器151

5.1引言151

5.2单相逆变器152

5.2.1半桥逆变器及变压器中心抽头式逆变器152

5.2.2全桥或H桥逆变器152

5.3三相桥式逆变器156

5.3.1方波或6脉波运行方式156

5.3.2电动与发电模式160

5.3.3输入纹波161

5.3.4器件的电压和电流额定值161

5.3.5移相电压控制161

5.3.6电压（幅值）和频率控制163

5.4多重化逆变器（多阶梯波逆变器）164

5.4.112阶梯波逆变器164

5.4.2移相控制的18阶梯波逆变器166

5.5脉冲宽度调制技术167

5.5.1正弦PWM168

5.5.2特定谐波消除PWM(SHEPWM)174

5.5.3最小纹波电流PWM178

5.5.4空间矢量PWM178

5.5.5瞬时电流控制正弦PWM186

5.5.6滞环电流控制PWM187

5.5.7SigmaDelta调制189

5.6三电平逆变器190

5.7硬开关的影响194

5.8谐振型逆变器196

5.9 软开关逆变器198

5.10动力与再生制动201

5.10.1动力制动201

5.10.2再生制动202

5.11PWM整流器203

5.11.1带有升压斩波器的二极管整流器203

5.11.1.1单相203

5.11.1.2三相204

5.11.2用于输入整流的PWM变流器205

5.11.2.1单相205

5.11.2.2三相207

5.12静止无功补偿器和有源滤波器209

5.13对基于MATLAB/SIMULINK仿真的介绍212

5.14小结215

参考文献216

第6章电流源型变流器218

6.1引言218

6.26脉波晶闸管逆变器的基本原理219

6.2.1模式1: 负载换相整流器(0≤α≤π/2)222

6.2.2模式 2: 负载换相逆变器(π/2≤α≤π)222

6.2.3模式 3: 强迫换相逆变器(π≤α≤3π/2)222

6.2.4模式4: 强迫换相整流器(3π/4≤α≤2π)222

6.3负载换相逆变器223

6.3.1单相谐振逆变器223

6.3.2三相逆变器226

6.3.2.1滞后功率因数负载226

6.3.2.2过励同步电动机负载227

6.3.2.3同步电动机起动228

6.4强迫换相逆变器229

6.5谐波热效应和转矩脉动231

6.6多重化逆变器232

6.7带自换相装置的逆变器234

6.7.16脉波逆变器234

6.7.2PWM逆变器237

6.7.2.1梯形波PWM237

6.7.2.2特定谐波消除PWM（SHEPWM）239

6.7.3双边PWM变流器系统240

6.7.4PWM整流器的应用243

6.7.4.1静止无功补偿器/有源滤波器243

6.7.4.2超导磁场储能（SMES）244

6.7.4.3直流电动机调速244

6.8电流源型变流器和电压源型变流器的比较244

6.9小结245

参考文献246

第7章异步电动机转差功率回馈型传动系统247

7.1引言247

7.2转子变阻器调速的双馈电动机247

7.3静止Kramer传动248

7.3.1矢量图251

7.3.2交流等效电路253

7.3.3转矩表达式256

7.3.4谐波257

7.3.5Kramer传动的调速258

7.3.6功率因数的改善258

7.4静止Scherbius传动260

7.4.1运行模式261

7.4.2用于VSCF发电系统的改进Scherbius传动262

7.5小结264

参考文献264

第8章异步电动机传动系统的控制与估计266

8.1引言266

8.2基于小信号模型的异步电动机控制267

8.3标量控制271

8.3.1电压源型逆变器的控制271

8.3.1.1开环电压/频率(V/F)控制271

8.3.1.2变频传动的节能效果274

8.3.1.3带转差率调节的速度控制275

8.3.1.4带有转矩和磁链控制的速度控制276

8.3.1.5电流控制的电压源型逆变器传动278

8.3.1.6并联电动机的牵引传动278

8.3.2电流源型逆变器的控制280

8.3.2.1独立的电流和频率控制280

8.3.2.2电流源型逆变器传动系统的速度和磁链控制281

8.3.2.3电流源型逆变器传动系统的电压/频率(V/F)控制282

8.3.3基于磁链规划的效率优化控制282

8.4矢量控制或磁场定向控制285

8.4.1与直流传动类比285

8.4.2等效电路和相量图287

8.4.3矢量控制原理287

8.4.4直接或反馈矢量控制289

8.4.5磁链矢量的估计291

8.4.5.1基于电压模型的方法291

8.4.5.2基于电流模型的方法294

8.4.6间接或前馈矢量控制294

8.4.7电网侧PWM整流器的矢量控制303

8.4.8定子磁链定向的矢量控制305

8.4.9电流源型逆变器传动系统的矢量控制307

8.4.10周波变流器传动系统的矢量控制308

8.5无传感器矢量控制311

8.5.1转速估算方法311

8.5.1.1转差频率计算法311

8.5.1.2基于状态方程的直接综合法312

8.5.1.3模型参考自适应系统（MRAS）313

8.5.1.4转速自适应磁链观测器（Luenberger观测器）法315

8.5.1.5扩展卡尔曼滤波器（EKF）法318

8.5.1.6齿谐波法321

8.5.1.7凸极转子注入辅助信号321

8.5.2无速度信号的直接矢量控制321

8.5.2.1可编程的级联低通滤波器（PCLPF）定子磁链估计321

8.5.2.2基于电流模型方程的电动机起动控制325

8.6直接转矩和磁链控制（DTC）327

8.6.1基于定子和转子磁链的转矩表达式328

8.6.2DTC的控制策略328

8.7自适应控制331

8.7.1自调节控制332

8.7.2模型参考自适应控制（MRAC）334

8.7.3滑模控制336

8.7.3.1控制原理336

8.7.3.2矢量控制系统的滑模控制340

8.8传动系统的自整定345

8.9小结349

参考文献350

第9章同步电动机传动系统的控制与估计353

9.1引言353

9.2正弦波SPM同步电动机传动354

9.2.1开环电压/频率控制354

9.2.2自控方式357

9.2.3绝对位置编码器358

9.2.3.1光学编码器358

9.2.3.2带解码器的模拟式旋转变压器359

9.2.4矢量控制361

9.3同步磁阻电动机传动366

9.3.1恒定de轴电流(ids)控制368

9.3.2快速转矩响应控制370

9.3.3最大转矩/电流控制371

9.3.4最大功率因数控制373

9.4正弦波IPM电动机传动374

9.4.1最大转矩/电流的电流矢量控制375

9.4.2弱磁控制377

9.4.3定子磁链定向的矢量控制378

9.4.3.1反馈信号处理384

9.4.3.2方波(SW)模式下的弱磁控制386

9.4.3.3PWM－SW模式的切换388

9.5梯形波SPM同步电动机传动系统389

9.5.1基于逆变器的传动系统389

9.5.1.12π/3角导通方式390

9.5.1.2PWM电压和电流控制方式391

9.5.2转矩－速度曲线393

9.5.3电动机的动态模型394

9.5.4传动系统的控制395

9.5.4.1反馈方式中的闭环速度控制395

9.5.4.2FW方式中的闭环电流控制395

9.5.5转矩脉动395

9.5.6基速以上的运行398

9.6绕组励磁式同步电动机传动系统399

9.6.1有刷和无刷直流励磁399

9.6.2负载换相逆变器(LCI)传动系统399

9.6.2.1恒定γ角下LCI传动系统的控制401

9.6.2.2触发延迟角αd或φ′角的控制403

9.6.2.3采用电动机端电压信号的控制406

9.6.2.4锁相环(PLL)γ角的控制408

9.6.3周波变流器传动系统的标量控制409

9.6.4周波变流器传动系统的矢量控制411

9.6.5电压源型逆变器的矢量控制416

目录ⅩⅦ9.7无传感器控制416

9.7.1梯形波SPM电动机的无传感器控制416

9.7.1.1电动机端电压检测法417

9.7.1.2定子3次谐波电压检测法418

9.7.2正弦波永磁电动机的无传感器控制421

9.7.2.1电动机端电压和电流检测法422

9.7.2.2电感变化(凸极)效应法423

9.7.2.3扩展卡尔曼滤波(EKF)的状态估计法425

9.8开关磁阻电动机(SRM)传动系统427

9.9小结429

参考文献430

第10章专家系统原理及应用432

10.1引言432

10.2专家系统原理433

10.2.1知识库433

10.2.1.1框架结构435

10.2.1.2元知识436

10.2.1.3ES语言436

10.2.2推理机436

10.2.3用户界面437

10.3专家系统的命令解释程序438

10.3.1命令解释程序的特性438

10.3.2外部接口439

10.3.3程序开发步骤439

10.4ES的设计方法440

10.5应用实例441

10.5.1传动装置中的PI调节器441

10.5.2故障诊断442

10.5.3交流传动产品的选择443

10.5.4传动系统的配置选择、设计与仿真444

10.5.4.1配置选择444

10.5.4.2电动机额定参数设计445

10.5.4.3变流器设计445

10.5.4.4控制设计和仿真研究447

10.6术语表448

10.7小结449

参考文献449

第11章模糊逻辑原理及其应用450

11.1引言450

11.2模糊集合450

11.2.1隶属函数(MF)451

11.2.2模糊集合运算453

11.3模糊系统456

11.3.1推理方法458

11.3.1.1Mamdani方法458

11.3.1.2Lusing Larson方法459

11.3.1.3Sugeno方法460

11.3.2解模糊方法462

11.3.2.1重心法(COA)463

11.3.2.2高度法463

11.3.2.3最大值平均法(MOM)464

11.3.2.4Sugeno解模糊法464

11.4模糊控制464

11.4.1为什么要模糊控制464

11.4.2历史回顾465

11.4.3控制原理465

11.4.4模糊控制器的实现468

11.5一般设计方法469

11.6应用情况469

11.6.1异步电动机速度控制469

11.6.2异步电动机传动系统基于磁链在线规划的效率优化472

11.6.3风力发电系统477

11.6.3.1风力涡轮机特性478

11.6.3.2系统描述478

11.6.3.3模糊控制479

11.6.4间接矢量控制的转差增益调节483

11.6.5定子电阻Rs的估计486

11.6.6畸变波形的估计491

11.6.6.1Mamdani方法491

11.6.6.2Sugeno方法492

11.7模糊逻辑工具箱493

11.7.1FIS编辑器494

11.7.2隶属函数编辑器495

11.7.3规则编辑器495

11.7.4规则浏览器495

11.7.5控制曲面浏览器497

11.7.6基于模糊逻辑的同步电流控制演示程序497

11.8术语表502

11.9小结503

参考文献504

第12章神经网络原理及其应用505

12.1引言505

12.2神经元结构506

12.2.1生物神经元的概念506

12.2.2人工神经元507

12.3人工神经网络508

12.3.1应用示例：Y=AsinX511

12.3.2前馈神经网络的训练511

12.3.2.1学习方法513

12.3.2.2基于ANN的字母识别513

12.3.3反向传播训练515

12.3.4三层网络的反向传播算法516

12.3.4.1输出层神经元的权重计算517

12.3.4.2隐含层神经元的权重计算519

12.3.5在线训练520

12.4其他网络520

12.4.1径向基函数神经网络521

12.4.2Kohonen自组织特征映射（SOFM）网络522

12.4.3用于动态系统的递归神经网络522

12.5神经网络在辨识和控制中的应用525

12.5.1时滞神经网络525

12.5.2动态系统建模526

12.5.3动态模型的神经网络辨识528

12.5.4逆动态模型529

12.5.5神经网络控制529

12.6一般设计方法531

12.7神经网络的应用532

12.7.1PWM控制器532

12.7.1.1特定谐波消除PWM(SHEPWM)532

12.7.1.2瞬时电流控制PWM533

12.7.1.3空间矢量PWM535

12.7.2矢量控制系统的反馈信号估计539

12.7.3畸变波形的估计542

12.7.4传动系统的模型辨识和自适应控制545

12.7.5基于递归网络的速度估计546

12.7.6基于RNN的自适应磁链估计548

12.8模糊神经系统550

12.9神经网络工具箱的演示程序552

12.9.1神经网络工具箱的介绍552

12.9.2演示程序553

12.10术语表556

12.11小结557

参考文献558

作者简介

本书详细介绍了电力半导体器件、交流电动机、相控变流器、交交变频器、电压源型逆变器、电流源型逆变器、异步电动机转差功率的回馈控制、异步电动机传动的控制与状态估计、同步电动机传动的控制与状态估计、专家系统原理与应用、模糊逻辑原理与应用和神经网络原理与应用等内容，涵盖了现代电力电子学与交流传动技术的整个体系。

本书深入浅出、通俗易懂，非常适合用作电气工程类专业本科生与研究生的教材，也可以作为电气工程师的参考书。

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