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第1部分 绪论 3

第1章 概述 3

1.1简介 3

1.2技术难点 4

1.2.1网侧的技术要求 4

1.2.2电动机侧的技术要求 5

1.2.3开关器件的限制 5

1.2.4对传动系统的整体要求 6

1.3变流器拓扑结构 6

1.4中压传动工业产品 7

1.5小结 10

附录1A中压传动系统的应用概况 10

参考文献 10

第2章 大功率半导体器件 11

2.1简介 11

2.2大功率开关器件 12

2.2.1二极管 12

2.2.2普通晶闸管 12

2.2.3门极关断晶闸管 13

2.2.4门极换流晶闸管 14

2.2.5绝缘栅双极型晶体管 16

2.2.6其他开关器件 17

2.3功率器件的串联 17

2.3.1电压不均衡的主要原因 17

2.3.2 GCT的电压均衡 17

2.3.3 IGBT的电压均衡 18

2.4小结 19

参考文献 19

第2部分 多脉波二极管和晶闸管整流器 23

第3章 多脉波二极管整流器 23

3.1简介 23

3.2 6脉波二极管整流器 23

3.2.1简介 23

3.2.2容性负载 24

3.2.3 THD和PF的定义 27

3.2.4标幺值系统 27

3.2.5 6脉波二极管整流器的THD和PF 28

3.3串联型多脉波二极管整流器 29

3.3.1 12脉波串联型二极管整流器 29

3.3.2 18脉波串联型二极管整流器 32

3.3.3 24脉波串联型二极管整流器 33

3.4分离型多脉波二极管整流器 34

3.4.1 12脉波分离型二极管整流器 34

3.4.2 18和24脉波分离型二极管整流器 36

3.5小结 38

参考文献 38

第4章 多脉波晶闸管整流器 39

4.1简介 39

4.2 6脉波晶闸管整流器 39

4.2.1理想6脉波晶闸管整流器 39

4.2.2网侧电感的影响 41

4.2.3 THD和PF 43

4.3 12脉波晶闸管整流器 43

4.3.1理想12脉波晶闸管整流器 44

4.3.2线路电感和变压器漏电感的影响 45

4.3.3 THD和PF 46

4.4 18和24脉波晶闸管整流器 46

4.5小结 48

参考文献 48

第5章 移相变压器 49

5.1简介 49

5.2 Y/Z移相变压器 49

5.2.1 Y/Z-1型移相变压器 49

5.2.2 Y/Z-2型移相变压器 50

5.3 △/Z移相变压器 51

5.4谐波电流的消除 52

5.4.1谐波电流的相移 52

5.4.2谐波的消除 53

5.5小结 54

第3部分 多电平电压源型逆变器 57

第6章 两电平电压源型逆变器 57

6.1简介 57

6.2正弦波脉宽调制 57

6.2.1调制方法 57

6.2.2谐波成分 58

6.2.3过调制 59

6.2.4三次谐波注入PWM 59

6.3空间矢量调制 60

6.3.1开关状态 60

6.3.2空间矢量 61

6.3.3作用时间计算 62

6.3.4调制因数 63

6.3.5开关顺序 63

6.3.6频谱分析 65

6.3.7偶次谐波的消除 66

6.3.8不连续空间矢量调制 68

6.4小结 70

参考文献 70

第7章 串联H桥多电平逆变器 71

7.1简介 71

7.2 H桥逆变器 71

7.2.1双极性调制法 71

7.2.2单极性调制法 73

7.3多电平逆变器拓扑结构 74

7.3.1采用相同电压直流电源的串联H桥逆变器 74

7.3.2采用不同电压直流电源的串联H桥逆变器 75

7.4基于载波的PWM 76

7.4.1移相载波调制法 76

7.4.2移幅载波调制法 78

7.4.3移相和移幅载波PWM方法的比较 81

7.5阶梯波调制方法 82

7.6小结 83

参考文献 84

第8章 二极管箝位式多电平逆变器 85

8.1简介 85

8.2三电平NPC逆变器 85

8.2.1拓扑结构 85

8.2.2开关状态 85

8.2.3换流 86

8.3空间矢量调制 88

8.3.1静止空间矢量 88

8.3.2作用时间计算 89

8.3.3 ？Vref位置与保持时间之间的关系 91

8.3.4开关顺序设计 91

8.3.5逆变器输出波形和谐波含量 94

8.3.6消除偶次谐波 96

8.4中点电压控制 97

8.4.1中点电压偏移的原因 98

8.4.2电动和再生运行模式的影响 98

8.4.3中点电压的反馈控制 98

8.5基于载波的PWM方法 99

8.6其他空间矢量调制算法 100

8.6.1非连续空间矢量调制 101

8.6.2基于两电平算法的SVM 101

8.7多电平二极管箝位式逆变器 101

8.7.1四、五电平二极管箝位式逆变器 101

8.7.2基于载波的PWM 103

8.8 NPC/H桥逆变器 105

8.8.1逆变器拓扑结构 105

8.8.2调制方法 105

8.8.3波形及谐波含量 107

8.9小结 108

附录8A采用偶次谐波消除方法的三电平NPC逆变器7段式开关顺序 108

参考文献 110

第9章 其他多电平电压源型逆变器 111

9.1简介 111

9.2 FC多电平逆变器 111

9.2.1逆变器结构 111

9.2.2调制方法 112

9.3 ANPC逆变器 113

9.3.1逆变器结构 113

9.3.2开关状态 113

9.3.3开关功率损耗分配的原理 114

9.3.4调制方法和器件功耗分布 115

9.3.5五电平ANPC逆变器 116

9.4 NPP逆变器 117

9.4.1逆变器结构 117

9.4.2开关状态 117

9.4.3调制方法和中点电压控制 118

9.5 NNPC逆变器 119

9.5.1逆变器结构 119

9.5.2开关状态 119

9.5.3悬浮电容电压控制的原理 120

9.5.4带电容电压均压控制的调制方法 121

9.5.5更高电平NNPC逆变器 123

9.6 MMC逆变器 124

9.6.1逆变器结构 124

9.6.2开关状态和桥臂电压 125

9.6.3调制方法 126

9.6.4 MMC的悬浮电容电压均压控制 127

9.6.5电容电压纹波和环流电流 130

9.7小结 130

参考文献 131

第4部分 PWM电流源型变频器 135

第10章 PWM电流源型逆变器 135

10.1简介 135

10.2 PWM电流源型逆变器 135

10.2.1梯形波脉宽调制 136

10.2.2特定谐波消除法 138

10.3空间矢量调制 141

10.3.1开关状态 141

10.3.2空间矢量 141

10.3.3作用时间计算 142

10.3.4开关顺序 143

10.3.5电流谐波分量 146

10.3.6 SVM、TPWM和SHE的比较 146

10.4并联电流源型逆变器 146

10.4.1逆变器拓扑结构 146

10.4.2并联逆变器空间矢量调制 147

10.4.3中矢量对直流电流的影响 148

10.4.4直流电流的平衡控制 149

10.4.5试验验证 150

10.5负载换相逆变器 151

10.6小结 152

附录10A图10-1中的逆变器采用SHE方法时计算的开关角 152

参考文献 153

第11章 PWM电流源型整流器 154

11.1简介 154

11.2单桥电流源型整流器 154

11.2.1简介 154

11.2.2特定谐波消除法 155

11.2.3整流器直流输出电压 157

11.2.4空间矢量调制法 158

11.3双桥电流源型整流器 158

11.3.1简介 158

11.3.2 PWM方法 159

11.3.3谐波成分 160

11.4功率因数控制 160

11.4.1简介 160

11.4.2 α和ma的同时控制 161

11.4.3功率因数曲线 162

11.5有源阻尼控制 163

11.5.1简介 163

11.5.2串联和并联谐振模式 163

11.5.3有源阻尼原理 164

11.5.4 LC谐振抑制 165

11.5.5谐波抑制 166

11.5.6有源阻尼电阻的选择 168

11.6小结 168

附录11A电流源型整流器的开关角 169

参考文献 170

第5部分 大功率交流传动系统 173

第12章 电压源型逆变器传动系统 173

12.1简介 173

12.2基于两电平VS1的中压传动系统 173

12.2.1功率变换模块 173

12.2.2带无源前端的两电平VSI传动系统 174

12.3二极管箝位式逆变器传动系统 175

12.3.1基于GCT的NPC逆变器传动系统 175

12.3.2基于IGBT的NPC逆变器传动系统 177

12.4多电平串联H桥逆变器传动系统 178

12.4.1适用于2300V/4160V电动机的CHB逆变器传动系统 178

12.4.2适用于6.6kV/11.8kV电动机的CHB逆变器传动系统 180

12.5 NPC/H桥逆变器传动系统 180

12.6基于ANPC拓扑结构的传动系统 181

12.6.1三电平ANPC逆变器传动系统 181

12.6.2五电平ANPC逆变器传动系统 182

12.7基于MMC拓扑结构的传动系统 182

12.8 10kV电压等级的传动系统 183

12.9小结 184

参考文献 184

第13章 电流源型变频器传动系统 185

13.1简介 185

13.2采用PWM整流器的电流源型变频器传动系统 185

13.2.1采用单桥PWM整流器的电流源型变频器传动系统 185

13.2.2专用电动机的电流源型逆变器传动系统 188

13.2.3采用双桥PWM整流器的电流源型逆变器传动系统 188

13.3适用于常规变流电动机的无变压器电流源型逆变器传动系统 189

13.4采用多脉波SCR整流器的电流源型逆变器传动系统 189

13.4.1采用18脉波SCR整流器的电流源型逆变器传动系统 189

13.4.2采用6脉波SCR整流器的低成本电流源型逆变器传动系统 190

13.5同步电动机的负载换相逆变器传动系统 190

13.5.1 12脉波输入和6脉波输出的LCI传动系统 190

13.5.2 12脉波输入和12脉波输出的LCI传动系统 191

13.6小结 192

参考文献 192

第14章 高性能传动控制方法 193

14.1简介 193

14.2坐标变换 193

14.2.1 abc/dq坐标变换 193

14.2.2 abc/αβ变换 195

14.3异步电动机数学模型 195

14.3.1空间矢量电动机模型 195

14.3.2dq电动机模型 196

14.3.3异步电动机暂态特性 197

14.4磁场定向控制原理 199

14.4.1磁场定向 199

14.4.2 FOC的控制框图 200

14.5直接磁场定向控制 201

14.5.1系统框图 201

14.5.2转子磁链计算 202

14.6间接磁场定向控制 204

14.7电流源型逆变器传动系统的磁场定向控制 205

14.8直接转矩控制 207

14.8.1直接转矩控制的原理 207

14.8.2开关逻辑 208

14.8.3定子磁链和转矩计算 211

14.8.4 DTC传动系统仿真 211

14.8.5 DTC和FOC方法之间的比较 212

14.9小结 213

参考文献 213

第15章 同步电动机传动系统控制 214

15.1简介 214

15.2同步电动机的建模 214

15.2.1电动机结构 214

15.2.2同步电动机的动态模型 215

15.2.3稳态等效电路 217

15.3基于VSC驱动的同步电动机传动系统ZDC控制 218

15.3.1简介 218

15.3.2 ZDC控制原理 218

15.3.3 VSC同步电动机传动系统ZDC控制方法的实现 219

15.3.4暂态过程分析 220

15.4 VSC同步电动机传动系统的MTPA控制 222

15.4.1简介 222

15.4.2 MTPA控制原理 222

15.4.3 VSC同步电动机传动系统MTPA控制方法的实现 224

15.4.4暂态分析 224

15.5 VSC同步电动机传动系统的DTC 225

15.5.1简介 225

15.5.2 DTC原理 225

15.5.3 VSC同步电动机传动系统DTC的实现 228

15.5.4暂态分析 229

15.6 CSC同步电动机传动系统的控制 230

15.6.1简介 230

15.6.2 CSC同步电动机传动系统的ZDC控制 231

15.6.3 CSC同步电动机传动系统的ZDC控制暂态过程分析 233

15.6.4 CSC同步电动机传动系统的MTPA控制 234

15.7小结 235

附录15A附件 236

参考文献 236

第6部分 中压传动系统专题 239

第16章 用于中压传动的矩阵变换器 239

16.1简介 239

16.2经典矩阵变换器 239

16.2.1经典矩阵变换器结构 239

16.2.2开关约束条件与波形合成 240

16.3三模块矩阵变换器 242

16.3.1三相转单相（3×1）MC模块 242

16.3.2三模块MC拓扑结构 243

16.3.3输入和输出波形 244

16.4多模块级联矩阵变换器 245

16.4.1九模块CMC拓扑结构 246

16.4.2输入输出波形 246

16.5用于中压传动的多模块CMC 248

16.6小结 250

参考文献 250

第17章 无变压器的中压传动系统 251

17.1简介 251

17.2共模电压及常规解决方案 251

17.2.1共模电压的定义 251

17.2.2共模电压波形 252

17.2.3传统解决方案 253

17.3多电平电压源型变频器的共模电压抑制 254

17.3.1降低共模电压的空间矢量调制方法 254

17.3.2共模电压抑制方案1 255

17.3.3共模电压抑制方案2 257

17.3.4 N电平VSI共模电压抑制方法 258

17.4无隔离变压器的多电平VSC传动系统 261

17.4.1多电平VSC通过开关切换规则消除共模电压 261

17.4.2采用共模滤波器抑制共模电压 261

17.4.3共模滤波器和RCM1/RCM2组合方案 264

17.5基于CSI的无变压器传动系统 265

17.5.1传统解决方法 265

17.5.2无变压器CSI传动系统的集成直流电抗器 266

17.6小结 268

参考文献 268

附录 269

附录A 缩略语中英文对照表 269

附录B 教学作业 271

B.1简介 271

B.2教学作业示例——教学作业3：两电平VSI的空间矢量调制方法 271

B.3教学作业答案 272