电力电子学与变频传动技术和应用PDF电子书下载

第1章 变频传动电力半导体器件 B．J．Baliga 北卡罗来纳州立大学〔美〕 6

1.1 引言 6

1.2　基本变频调速系统 8

1.3　功率场效应管 10

1.4　绝缘门极双极型晶体管 11

1.5　功率整流管 14

1.6　MOS门控晶闸管 17

1.7　新型半导体材料 21

1.8　器件比较 23

1.9　智能功率控制芯片 24

2.0　结论 25

参考文献 26

第2章　传动装置中的电机 G．R．Slemon　多伦多大学〔加〕 28

2.1 引言 28

2.2　传动装置对电动机的要求 28

2.3　换向器电动机 29

2.3.1 转矩的产生 29

2.3.2　损耗与冷却 30

2.3.3 等值电路 30

2.3.5　使用的局限性 31

2.4　感应电动机 31

2.3.4　恒功率运行 31

2.4.1 转矩的产生 32

2.4.2　等值电路模型 32

2.4.3 极数 33

2.4.4　转矩表示式 34

2.4.5　损耗与效率 34

2.4.6 参数与尺寸的依赖关系 35

2.4.7 业传动应用 35

2.4.8　恒功率运行 36

2.4.9 高性能传动的应用 36

2.4.11 绕线转子电动机 37

2.4.10　传动设计中的若干问题 37

2.5　永磁同步电动机 38

2.5.1 永磁材料 38

2.5.2　等值电路 39

2.5.3　运行特性 40

2.5.4　磁铁保护 41

2.5.5　损耗与效率 41

2.5.6　工业传动应用 42

2.5.7　恒功率应用 42

2.5.8 高性能传动的应用 43

2.6　开关永磁电动机或梯形永磁电动机 43

2.6.1 星形连接电动机 43

2.6.3　损耗与效率 44

2.6.2 转矩的产生 44

2.6.4 三角形连接电动机 45

2.6.5 设计特点 45

2.6.6 运行特性 45

2.7　同步磁阻电动机 46

2.7.1 等值电路 46

2.7.2 转矩 46

2.7.3　运行条件与功率因数 46

2.8　永磁磁阻电动机 47

2.7.6　恒功率运行 47

2.7.5　损耗与效率 47

2.7.4 结构型式 47

2.9　开关磁阻电动机 49

2.9.1 转矩关系 49

2.9.2　损耗与效率 50

2.9.3　设计与应用需考虑的问题 50

2.10　绕组励磁式同步电动机 51

2.11　直线电动机 51

2.12　结论 52

术语符号表 53

参考文献 53

3.2.1 关于实用电力电子变换器的系统综述 56

3.2 电力电子变换器的发展及其在传动领域的应用 56

3.1 引言 56

第3章　用于传动的电力电子变换器 J．D．van Wyk　兰德非洲大学〔南非〕 56

3.2.2 用于运动控制的电力电子变换器的发展历史 58

3.3　开关变换器的功能及其在变频传动中的应用 58

3.3.1 开关变换器的平均能量流的控制 59

3.3.2 电力电子变换器的拓朴和结构 63

3.3.3 开关变换器的基本制约关系 70

3.3.4 用于变频传动的变换器结构 71

3.4　幅值控制的电力电子变换器 73

3.4.1 直流-直流变换器 73

3.4.2　交流-直流变换器 74

3.5　用于变频传动的电力电子变换器 75

3.5.1 电流源逆变器传动装置所用交流-直流-交流变换器 76

3.5.2 电压源逆变器传动装置所用交流-直流-交流变换器 76

3.5.3 交流-直流-交流变换器对供电电源的影响 76

3.5.4 变换器的扩展类型 78

3.5.5　最小变换器拓朴 80

3.6　开关应用技术 82

3.6.1 电力电子开关的开通和关断 82

3.6.2　减少实用中的开关损耗 84

3.6.3 变换器的保护和散热 89

3.6.4 更深层的变换器应用技术 90

3.7 未来变换器的发展与电磁学的关系 90

3.8　结论 91

3.7.2 电磁学与EMI/EMC 91

3.7.1 开关变换器电磁学 91

参考文献 93

第4章　电子功率变换的脉宽调制技术 J．Holtz　伍佩尔塔尔大学〔德〕 102

4.1 引言 102

4.2　直流-交流功率变换 102

4.2.1　功率放大原理 102

4.2.2　半导体开关 103

4.2.3　半桥拓朴 105

4.2.4 三相功率变换 106

4.3　空间矢量导论 107

4.3.1 定义 107

4.3.4 推广 109

4.3.2　标么化 109

4.3.3　开关状态矢量 109

4.4　性能指标 110

4.4.1 电流谐波 110

4.4.2　谐波频谱 110

4.4.3　空间矢量轨迹 111

4.4.4　最大调制度 111

4.4.5　谐波转矩 111

4.4.6 开关频率和开关损耗 112

4.5.1　基于载波的PWM 113

4.5　开环系统 113

4.4.8　动态性能 113

4.4.7　极性一致原则 113

4.5.2　无载波PWM 121

4.5.3　过调制 122

4.5.4　优化的开环PWM 124

4.5.5　开关条件 127

4.6　闭环控制PWM 132

4.6.1 非最优法 133

4.6.2 带实时最优的闭环PWM 136

4.6.3 预优化脉冲模型的实时自适应 137

4.7.1　12阶梯工作 143

4.7　多电平变换器 143

4.7.2　开关状态矢量 145

4.7.3 三电平脉宽调制 145

4.8　电流源逆变器 150

4.9 结论 151

术语符号表 152

参考文献 153

第5章　感应电动机驱动的运动控制R．D．Lorenz,T．A．Lipo,D．W．Novotny 威斯康辛大学〔美〕 157

5.1 引言 157

5.2　调速用逆变器 157

5.2.1 基本的六阶梯电压源逆变器 158

5.2.2　脉宽调制电压源逆变器 160

5.2.3 电流源逆变器传动 164

5.3　运动控制系统 168

5.3.1 古典的、工业标准的FO-IM数字运动控制 168

5.3.2 状态变量，FO-IM数字运动控制 170

5.3.3 零跟踪误差，状态变量，FO-IM数字运动控制 171

5.3.4 关于FO-IM运动控制的反馈传感器问题 171

5.3.5 关于FO-IM运动控制的基于观测器的反馈问题 174

5.3.6　状态变量，FO-IM，带加速度反馈的数字运动控制 175

5.3.7 关于FO-IM运动控制要求的小结 177

5.4　感应电动机磁场定向（FO）控制原理 177

5.4.3　参数误差的影响 179

5.4.2 间接（前馈）磁场定向 179

5.4.1　直接磁场定向 179

5.4.4　磁通水平的选择 180

5.5　FO-IM运动控制的电流调节器 180

5.5.1 滞环和砰-砰电流调节器 182

5.5.2 斜坡比较式PI电流控制，固定频率PWM 184

5.5.3　预测（最优）电流控制器 187

5.5.4 关于FO-IM运动控制电流调节器的小结 189

5.6　用于FO-IM运动控制的高性能磁通和转矩调节方法 190

5.6.1　磁通精度问题 190

5.6.2　零速下用于直接磁场定向的开环磁通观测器 190

5.6.3 间接磁场定向的开环磁通观测器 191

5.6.4 闭环磁通观测器和直接磁场定向——转子磁通 192

5.6.5 闭环磁通观测器和直接磁场定向——定子磁通 193

5.6.6　直接转子磁通定向、定子磁通调节和闭环磁通观测器 194

5.6.7 关于FO-IM运动控制的高性能磁通和转矩调节方法的小结 196

5.7　FO-IM的自调试和连续自校正 196

5.7.1　参数估计的统计方法 196

5.7.2 统计回归模型——恒速下感应电动机的估计 197

5.7.3 转子时间常数和电阻、电感参数的提取 199

5.7.4　统计回归模型——机械负载参数 199

5.7.5　统计估计的运行条件和输入激励的限制 200

5.7.9　MRAC方法 201

5.7.8　递推，最小二乘 201

5.7.7　FO-IM参数估计的自适应控制方法 201

5.7.6 关于FO-IM统计方法的小结 201

5.7.10　无差拍自适应控制方法 202

5.8　结论 205

致谢 206

术语符号表 207

参考文献 208

第6章　永磁交流电动机的变频传动 T．M．Jahns　GE公司〔美国〕 212

6.1　引言 212

6.1.1　背景 213

6.1.2　运动控制的性能要求 213

6.2.1 正弦与梯形PMAC电动机的对比 214

6.2　PMAC电动机的控制基础 214

6.2.2　变换器的构成 215

6.2.3　位置同步 218

6.2.4　机械传动组合 219

6.2.5　PMAC传动的控制结构 219

6.3　梯形PMAC电动机的控制 221

6.3.1 电动机的控制特性 221

6.3.2　基本控制方法 222

6.3.3 转矩脉动 226

6.3.4 高速运行 228

6.4.1 电动机的特性 229

6.4　正弦PMAC电动机的控制 229

6.4.2　基本控制方法 231

6.4.3 转矩脉动 234

6.4.4 高速运行 235

6.5　现代控制技术 238

6.5.1　取消位置传感器 238

6.5.2 取消电流传感器和新型调节器 240

6.5.3　鲁棒控制 241

6.6　PMAC传动装置的应用 241

6.6.1 电动机传动的比较 241

6.6.2　PMAC传动装置的发展方向 242

6.6.3　未来应用的展望 245

6.7　结论 246

参考文献 247

第7章　大功率工业传动 H．Stemmler　联邦工程技术学院〔瑞士〕 254

7.1 引言 254

7.2　按速度和功率定额分类 255

7.3　大功率传动发展的简要回顾 255

7.4　大功率传动电动机 256

7.4.1 电动机类型 256

7.4.2　交流电动机的数学描述 257

7.5.1　基本电路 263

7.5　大功率传动变换器 263

7.5.2　变换器的构成 265

7.6 由外部换流的电流源变换器供电的同步电动机 266

7.6.1　基本原理 267

7.6.2　工作模式 267

7.6.3　系统的实现 270

7.6.4　应用 272

7.6.5　展望 273

7.7　电流源变换器供电的感应电动机 275

7.7.1　基本原理 275

7.7.2　工作模式 275

7.7.4　如何避开谐振 277

7.7.3　谐振问题 277

7.7.5　基本控制结构 278

7.7.6　应用——实际实现 279

7.7.7　展望 279

7.8　周波变换器供电的同步电动机 279

7.8.1　基本原理 279

7.8.2　工作模式 279

7.8.3　系统的实际实现 282

7.8.4　应用 282

7.8.5　展望 283

7.9.1 目前电压源逆变器的特点 284

7.9　大型电压源逆变器传动 284

7.9.2　二电平逆变器传动 285

7.9.3　优化目标 286

7.9.4　三电平逆变器传动 288

7.9.5　低电感设计 288

7.9.6　控制 291

7.9.7　展望 291

7.10　转差功率可控的传动 292

7.10.1　概述 292

7.10.2　次／超同步串级调速 293

7.11　结论 299

术语符号表 300

参考文献 301

第8章　电力电子和运动控制系统仿真N．Mohan,W．P．Robbins,L．A．Aga,M．Rastogi,R．Naik 明尼苏达大学〔美〕 304

8.1 引言 304

8.1.1 电力电子环境 304

8.1.2　仿真的意义 304

8.2　设计过程的仿真 305

8.3　频域和时域分析 306

8.4　仿真面临的问题 306

8.4.1 对仿真程序的要求 306

8.4.2 仿真工具应用问题 307

8.5.1 暂态网络分析仪和直流（高压直流）仿真器 308

8.5　仿真工具的分类及历史回顾 308

8.5.2　模拟和混合计算机 309

8.5.3　数字仿真器 309

8.6　数值解问题 311

8.6.1　数值积分法 311

8.6.2　非线性微分方程 313

8.6.3 自动变步长控制 313

8.6.4　开关的处理 314

8.7　实用仿真程序综述 315

8.7.1　SPICE 315

8.7.2　EMTP 316

8.7.3　MATLAB/SIMULINK 316

8.8.1 用PSpice再现开关动作 317

8.8　仿真器能力举例说明 317

8.8.2　用EMTP再现晶闸管变换器 318

8.8.3 感应电动机传动的磁场定向控制 318

8.9　电路仿真的电力半导体器件模型 330

8.9.1 引言 330

8.9.2　现有应用模型及其缺点 330

8.9.3　模拟双极型器件的困难 331

8.9.4　双极型器件模型的改进 332

8.9.5 多数载流子器件的模拟问题 333

8.10　结论 335

8.9.6　未来展望 335

参考文献 336

附录 339

9.1 引言 345

9.2　交流传动的参数估计 345

9.2.1 无刷电动机的参数辨识 345

9.2.2　感应电动机的参数辨识 350

9.3　交流电动机无传感器传动 354

9.3.1 无刷电动机的无传感器传动 354

9.3.2 矢量控制感应电动机的无传感器传动 355

9.4　借助机械参数估计实现的鲁棒运动控制 358

9.4.1　扰动转矩的估计 358

9.4.2 瞬时速度和变惯量的估计 360

9.5　结论 363

致谢 364

参考文献 365

第10章　电力电子及传动控制中的微处理器和数字集成电路 H．Le-Huy　拉瓦尔大学〔加〕 367

10.1　引言 367

10.2　电力电子系统的微机控制 368

10.2.1 电力电子系统的控制 368

10.2.2 电力电子系统的微机控制 370

10.2.3　处理器的选择 373

10.2.4　数字与模拟控制 374

10.3.1　微机结构 376

10.3　微机基础 376

10.3.2　微处理器 377

10.3.3　存储器 379

10.3.4　输入-输出 380

10.4　利用微机实现的实时控制 381

10.4.1　数字输入-输出 381

10.4.2　模拟输入-输出 381

10.4.3 中断控制器 384

10.4.4　定时处理器件 385

10.4.5　通信接口 386

10.5　微控制器（单片机） 388

10.5.1　Intel系列微控制器 389

10.5.2　Motorola系列微控制器 390

10.6.1　数字信号处理器（DSP） 393

10.6 电力电子系统控制用高档微处理器 393

10.6.2　简化指令系统计算处理器（RISC） 397

10.6.3　并行处理器：Transputer和并行DSP 401

10.7 电力电子系统控制的专用集成电路 404

10.7.1　ASIC技术 405

10.7.2　ASIC设计 405

10.7.3　现场可编程门阵列和可编程逻辑器件 406

10.7.4 电力电子系统控制中的ASIC应用举例 407

10.8.1　研制过程 408

10.8.2　系统要求和初步设计 408

10.8　微处理器化控制系统的设计 408

10.8.3　硬件和软件的分割与协调 409

10.8.4　硬件设计 409

10.8.5　软件设计 410

10.8.6　系统总成和性能评估 411

10.9　开发工具 411

10.9.1　开发系统 411

10.9.2　软件开发工具 413

10.10　应用示例 414

10.11　结论 416

参考文献 418

11.1 引言 424

第11章　专家系统、模糊逻辑和神经网络在电力电子及传动系统中的应用 B．K．Bose 田纳西大学〔美〕 424

11.2　专家系统 425

11.2.1 专家系统原理 425

11.2.2　知识库 428

11.2.3　专家系统外壳 429

11.2.4　设计方法 432

11.2.5 在电力电子和传动系统中的应用 432

11.3　模糊逻辑 438

11.3.1　模糊逻辑原理 438

11.3.2　模糊控制 439

11.3.3　建模和估计 443

11.3.4　设计方法和控制实现 444

11.3.5　在电力电子和传动系统中的应用 445

11.4　神经网络 458

11.4.1 神经网络原理 458

11.4.2　前向神经网络的训练 460

11.4.3　模糊神经网络 463

11.4.4　设计方法和实现 464

11.4.5 在电力电子和传动系统中的应用 465

11.5　小结 474

11.6　词汇表 474

参考文献 477

Bimal K．Bose　博士简历 481