现代电力电子学与交流传动PDF电子书下载

译者序 1

序言 1

第1章 电力半导体器件 1

1.1 引言 1

1.2 二极管 1

目录 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

1.5.1 开关特性 9

1.5 门极关断（GTO）晶闸管 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MOSFET 13

1.7.1 V-1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

1.10 MOS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

参考文献 22

1.14 小结 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

3.2 二极管整流器 77

3.1 引言 77

第3章 二极管及相控变流器 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

3.3.9 6脉波中心抽头变流器 106

3.3.10 12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

3.5.1 EMI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

4.2.4.1 有环流模式 126

4.2.4 有环流模式和无环流模式的比较 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

4.4.2 高频、整数脉冲交交变频器 147

4.4.2.1 正弦供电 147

4.4 高频交交变频器 147

4.4.1 高频相控交交变频器 147

4.4.2.2 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

5.4.1 12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PWM 168

5.5.2 特定谐波消除PWM（SHEPWM） 174

5.5.3 最小纹波电流PWM 178

5.5.4 空间矢量PWM 178

5.5.5 瞬时电流控制正弦PWM 186

5.5.6 滞环电流控制PWM 187

5.5.7 Sigma-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

5.11 PWM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

5.11.2.1 单相 205

5.11.2 用于输入整流的PWM变流器 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 216

参考文献 216

第6章 电流源型变流器 218

6.1 引言 218

6.2 6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

6.3.1 单相谐振逆变器 223

6.3 负载换相逆变器 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

6.7.1 6脉波逆变器 234

6.7.2 PWM逆变器 237

6.7.2.1 梯形波PWM 237

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

6.7.4 PWM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

7.3.5 Kramer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

8.3.1.1 开环电压／频率（V/F）控制 271

8.3 标量控制 271

8.3.1 电压源型逆变器的控制 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

8.4.3 矢量控制原理 287

8.4.2 等效电路和相量图 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

8.5.1.2 基于状态方程的直接综合法 312

8.5.1.1 转差频率计算法 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

8.6.2 DTC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

9.2.3.1 光学编码器 358

9.2.3 绝对位置编码器 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

9.4.3.3 PWM-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

9.5.1.1 2π/3角导通方式 390

9.5.1.2 PWM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

9.5.4.2 FW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

9.6.2 负载换相逆变器（LCI）传动系统 399

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

9.6.2.1 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ψ′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 407

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

9.7 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

10.2.2 推理机 436

10.2.1.2 元知识 436

10.2.1.3 ES语言 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

10.4 ES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

10.5.4.1 配置选择 444

10.5.4 传动系统的配置选择、设计与仿真 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

11.3.1.1 Mamdani方法 458

11.3.1 推理方法 458

11.3.1.2 Lusing Larson方法 459

11.3.1.3 Sugeno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

11.3.2.4 Sugeno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

11.6.1 异步电动机速度控制 469

11.5 一般设计方法 469

11.6 应用情况 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R？的估计 486

11.6.6 畸变波形的估计 491

11.6.6.1 Mamdani方法 491

11.6.6.2 Sugeno方法 492

11.7 模糊逻辑工具箱 493

11.7.1 FIS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

12.2.1 生物神经元的概念 506

12.2 神经元结构 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＝AsinX 511

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

12.4.2 Kohonen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

12.7.1 PWM控制器 532

12.7.1.1 特定谐波消除PWM（SHEPWM） 532

12.7.1.2 瞬时电流控制PWM 533

12.7.1.3 空间矢量PWM 535

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