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前言 1

第一篇 电力电子器件及电路 1

第一章 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

目录 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（GTR） 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 电力晶体管的二次击穿与安全工作区 18

1.4 功率场效应管（MOSFET） 20

1.3.4 电力晶体管的极限运行参数 20

1.4.1 MOSFET的基本工作原理及静态输出特性 21

1.4.2 MOSFET的开关特性 24

1.4.3 MOSFET的安全工作区 25

1.4.4 MOSFET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（AC/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

2.1.8 相控整流电路的主要性能指标 54

2.2 直流／交流（DC/AC）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 58

2.2.3 交—直—交电流型逆变器 65

2.2.4 脉宽调制（PWM）逆变器 69

2.3 交流／交流（AC/AC）变换与直流／直流（DC/DC）变换 74

2.3.1 交流／交流（AC/AC）变换——交—交变频器 74

2.3.2 直流／直流（DC/DC）变换——直流斩波器 78

3.1.1 概述 81

3.1 晶闸管触发电路 81

第三章 电力电子器件驱动电路 81

3.1.2 分立式相控同步模拟触发电路 82

3.1.3 触发电路同步信号的选择 89

3.1.4 集成式相控同步模拟触发电路 90

3.1.5 数字触发电路 93

3.2 全控型电力电子器件驱动电路 98

3.2.1 电力晶闸管（GTR）基极驱动电路 99

3.2.2 功率场效应管（MOSFET）栅极驱动电路 105

3.2.3 绝缘栅双极晶体管（IGBT）栅极驱动电路 109

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

4.4.1 过电压保护 118

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

4.4.2 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 130

第五章 单闭环直流调速系统 130

5.1 概述 130

5.1.1 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

5.1.6 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

6.2.1 概述 192

6.2 直流可逆调速系统 192

6.2.2 可控环流可逆调速系统 196

6.2.3 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 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

7.3.1 概述 233

7.3 直流调速系统的滑模变结构控制器设计 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 243

习题二 244

第三篇 随动系统 247

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

8.1.5 随动系统的特点及性能指标 252

8.1.4 随动系统设计概要 252

8.2.1 伺服电位器 253

8.2 随动系统的位置检测元件 253

8.2.2 自整角机 255

8.2.3 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

9.1 随动系统的功率放大器电路 286

9.1.1 脉冲宽度调制（PWM）电路 286

第九章 随动系统的功率放大器及执行电机 286

9.1.2 正弦波PWM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

10.3.2 复合控制设计法 334

10.4 数字PID控制 336

10.4.1 离散PID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 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

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

第十二章 交流调压调速和串级调速 361

12.1 概述 361

第四篇 交流调速系统 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SPWM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

13.3.1 转差频率控制的基本概念 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） 430

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

15.3.1 精确量的Fuzzy化 456

15.3.2 Fuzzy控制规则的构成 457

15.3.3 输出信息的Fuzzy判决 464

15.3.4 基本模糊控制器 465

15.4 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（GTR）脉冲调制（PWM）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