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第1章 绪论 1

1.1 高压大功率交流变频调速技术的发展 1

1.2 高压大功率交流变频调速系统的基本类型 3

1.3 高压大功率交流变频调速系统的应用 6

1.4 高压大功率交流变频调速系统发展中面临的问题 7

第2章 高压变频用电力电子器件 10

2.1 概述 10

2.1.1 电力电子器件是影响高压变频器发展的重要因素 10

2.1.2 高压变频器常用的电力电子器件及其分类 10

2.1.3 本章主要探讨的问题 11

2.2.1 PN结电力二极管 12

2.2 电力二极管 12

2.2.2 快恢复二极管 13

2.3 晶闸管 15

2.3.1 晶闸管的基本结构与工作原理 15

2.3.2 晶闸管的基本特性与参数 17

2.4 绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 21

2.4.1 IGBT的基本结构与工作原理 21

2.4.2 IGBT基本特性 23

2.4.3 IGBT特性参数表 26

2.4.4 IGBT驱动电路 28

2.5 集成门极换流晶闸管（IGCT） 47

2.5.1 IGCT工作原理 48

2.5.2 IGCT基本特性 49

2.5.3 IGCT特性参数 51

2.5.4 IGCT的门极驱动技术 52

2.6 注入增强栅晶体管（IEGT） 53

2.6.1 IEGT的基本结构与工作原理 53

2.6.2 IEGT的基本特性 54

2.6.3 IEGT的最大额定值与主要技术参数 55

2.7 电力电子器件的串并联设计 57

2.7.1 电力电子器件的串联技术 57

2.7.2 电力电子器件的并联技术 60

第3章 高压交-交变频调速系统 64

3.1 三相输出交-交变频器的基本原理 64

3.1.1 三相-单相交-交变频基本原理 65

3.1.2 有环流模式与无环流模式 67

3.1.3 交-交变频器的控制 70

3.1.4 三相-三相桥式交-交变频基本原理 71

3.1.5 三相-三相桥式交-交变频器的输入输出谐波及输入功率因数 72

3.1.6 三相-三相桥式交-交变频器的谐波及无功功率的抑制 75

3.2 矩阵式交-交变频器 77

3.3 三相高压交-交变频调速技术及应用 79

3.3.1 电力电子器件参数选择及器件串联 79

3.3.2 一种实际的高压交-交变频调速系统 81

第4章 电流源型高压变频调速系统 82

4.1 电流源型高压变频器的基本原理 82

4.1.1 晶闸管方波输出电流源型变频器的基本原理 82

4.1.2 晶闸管换相过程 86

4.2.1 PWM式电流源型变频器的基本原理 89

4.2 PWM式电流源型变频器 89

4.2.2 逆变桥的换相过程 92

4.3 电流源型变频器的谐波抑制 93

4.3.1 电流源型变频器的输入串联多重化 93

4.3.2 电流源型变频器的输出多重化 95

4.4 电流源型高压变频器的产品设计 97

第5章 三电平电压源型高压变频调速系统 99

5.1 三电平电压源型高压变频调速技术的基本原理 99

5.1.1 二极管钳位三电平电路的基本原理 99

5.1.2 二极管钳位三电平电路的输出电压及负载电压 105

5.1.3 二极管钳位三电平电路的软开关技术 109

5.1.4 其他钳位方式三电平电路 112

5.2 三电平空间电压矢量控制算法 116

5.2.1 三电平空间电压矢量的合成 116

5.2.2 三电平SVPWM的控制算法 120

5.2.3 三电平SVPWM控制中的一些问题 124

5.3 谐波和功率因数 135

5.3.1 谐波与功率因数简介 135

5.3.2 三电平的输入输出谐波和输入功率因数 139

5.4 三电平PWM可控整流及电动机的四象限运行 141

5.4.1 电动机的四象限运行及负载能量回馈 141

5.4.2 PWM可控整流的基本原理 144

5.4.3 三电平PWM可控整流的原理及SVPWM控制算法 147

5.5 三电平产品的几种实现方案 153

6.1 H桥功率单元串联式多电平的基本原理 160

第6章 功率单元串联式多电平电压源型高压变频调速系统 160

6.2 功率单元串联式多电平的输入多重化技术 164

6.2.1 变压器延边三角形移相技术 165

6.2.2 移相多重化整流技术 171

6.2.3 本节小结 180

6.3 功率单元串联式多电平的相关技术 181

6.3.1 产品的可靠性 181

6.3.2 变频器的制动 186

6.3.3 飞速启动 189

6.4 功率单元串联式多电平系统的输出性能分析 190

6.4.1 输出谐波 190

6.4.2 转矩脉动 191

6.4.3 du/dt 193

6.4.4 轴电压和轴电流 194

6.4.5 输出导线长距离传输问题 195

6.5 功率单元串联式多电平高压变频调速系统的基本构成 196

6.5.1 输入部分 197

6.5.2 功率变换部分 197

6.5.3 检测与保护部分 197

6.5.4 控制部分 198

6.5.5 PLC 198

6.6 其他派生的功率单元串联式多电平技术方案 199

6.6.1 功率单元采用多电平结构的技术方案 199

6.6.2 非对称结构功率单元串联式多电平变频调速系统 200

6.6.3 混联式多电平技术方案 203

7.1.1 PWM的基本概念 206

第7章 高压变频器中常用PWM算法 206

7.1 PWM技术概述 206

7.1.2 PWM的类型 207

7.2 调制波变换技术 216

7.2.1 提高电压利用率的调制波变换技术 218

7.2.2 减小开关损耗的调制波变换技术 221

7.3 调制波分解技术 224

7.3.1 调制波等比例分配 225

7.3.2 调制波纵向分割方法 231

7.4 波形连续变换技术 235

7.5 空间电压矢量PWM 244

7.5.1 三相异步电动机在三相对称正弦波电压供电时的特性 244

7.5.2 空间电压矢量PWM方法 247

7.5.3 SVPWM的特性分析 253

第8章 高压变频的常用控制策略 263

8.1 U/f控制 263

8.1.1 异步电动机的工作原理及等效电路 263

8.1.2 维持U1/f1＝常数的简单开环控制 264

8.2 无速度传感器矢量控制 266

8.2.1 基本原理 267

8.2.2 无速度传感器矢量控制总体方案 269

8.2.3 有速度传感器矢量控制方案 279

8.3 直接转矩控制 281

8.3.1 直接转矩控制系统的原理 282

8.3.2 直接转矩控制系统的结构 286

9.1 高-低-高式及高-低-低式变频调速系统 290

第9章 高压变频调速的其他技术方案 290

9.2 IGBT直接串联式两电平电压源型高压变频调速系统 293

9.3 变压器耦合功率单元串联式高压变频拓扑 295

9.4 具有多个分支绕组的交流电动机变频调速系统 298

9.5 绕线转子异步电动机双馈调速及串级调速技术 301

第10章 高压大功率交流变频调速系统的产品设计 308

10.1 主电路的设计 308

10.1.1 主电路拓扑结构参数的计算 308

10.1.2 功率单元中电力电子器件的参数计算与选型 310

10.2 检测与保护电路 313

10.3 缓冲电路 315

10.3.1 RC-VD缓冲电路的分析与计算 316

10.3.2 逆变电路的常用缓冲电路 319

10.3.3 大功率叠层功率母线 321

10.4 电磁兼容性设计 322

10.4.1 高压变频器输入侧的谐波问题 323

10.4.2 高压变频器输出侧的谐波问题 327

10.4.3 高压变频器的抗干扰问题 331

10.5 散热与通风设计 331

10.5.1 电力电子器件的散热设计 331

10.5.2 功率单元的散热冷却设计 334

10.5.3 整机的散热与通风设计 337

10.6 可靠性 340

10.6.1 可靠性指标 341

10.6.2 高压变频器的可靠性模型 342

10.6.3 提高可靠性的措施 345

第11章 高压大功率交流调速系统的接口及应用 349

11.1 DCS与PLC 349

11.1.1 DCS 349

11.1.2 PLC 351

11.2 现场总线技术 352

11.2.1 现场总线的概念 352

11.2.2 现场总线技术特点 353

11.2.3 现场总线通信协议特点 354

11.2.4 典型现场总线技术与产品 355

11.2.5 现场总线技术的应用 357

11.3 高压变频器的接口设计 358

11.4 泵与风机的调速运行原理 360

11.4.1 泵与风机的节电基础 361

11.4.2 泵与风机的运行调节 365

11.4.3 泵或风机的联合运行 367

11.5 大功率电动机调速方式 371

11.5.1 交流调速方法 371

11.5.2 各种交流调速方法的对比 373

11.6 高压变频器在电厂中的应用 375

11.6.1 高压变频器在电厂送引风机变频调速改造中的应用 376

11.6.2 高压变频器在电厂循环水泵变频调速改造中的应用 378

11.7 高压变频器在冶金企业中的应用 378

11.8 高压变频器在煤矿通风机变频调速中的应用 382

11.9 高压变频器在供水领域中的应用 383

11.10 高压变频器在石化行业中的应用 386

11.10.1 ACS1000变频器的主要特点 386

11.10.2 系统改造方案 386

11.10.3 系统运行效果 388

11.11 高压变频器在电力牵引中的应用 388

11.12 高压变频器在风洞中的应用 389

第12章 高压变频调速系统的计算机仿真 393

12.1 MATLAB仿真环境基本介绍 394

12.1.1 MATLAB软件介绍 394

12.1.2 Simulink工具箱介绍 395

12.1.3 电力系统模块库（PSB）简介 396

12.1.4 Subsystem的建立和Mask功能 397

12.1.5 S函数介绍 399

12.2 高压变频调速系统主电路的建模与仿真 399

12.2.1 三电平电压源型高压变频调速系统的建模与仿真 399

12.2.2 Simulink仿真的运行 400

12.2.3 功率单元串联式多电平高压变频调速系统的建模与仿真 406

12.3 高压变频调速系统多重化整流仿真研究 412

12.3.1 48脉波多重化整流仿真 412

12.3.2 144脉波多重化整流仿真 416

12.4 高压变频调速系统常用控制策略仿真 419

12.4.1 无速度传感器矢量控制系统仿真 419

12.4.2 直接转矩控制系统仿真 423

参考文献 431