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第1章 电力半导体器件 1

1.1引言 1

1.2二极管 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门极关断（GTO）晶闸管 9

1.5.1开关特性 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-I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

1.14小结 22

参考文献 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

第3章 二极管及相控变流器 77

3.1引言 77

3.2二极管整流器 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（Le）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有环流模式和无环流模式的比较 126

4.2.4.1有环流模式 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高频交交变频器 147

4.4.1高频相控交交变频器 147

4.4.2高频、整数脉冲交交变频器 147

4.4.2.1正弦供电 147

4.4.2.2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（SHE-PWM） 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用于输入整流的PWM变流器 205

5.11.2.1单相 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 215

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负载换相逆变器 223

6.3.1单相谐振逆变器 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标量控制 271

8.3.1电压源型逆变器的控制 271

8.3.1.1开环电压/频率（V/F）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

8.4.2等效电路和相量图 287

8.4.3矢量控制原理 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

8.5.1.1转差频率计算法 311

8.5.1.2基于状态方程的直接综合法 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绝对位置编码器 358

9.2.3.1光学编码器 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负载换相逆变器（LCI）传动系统 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？’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 408

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

10.2.1.2元知识 436

10.2.1.3 ES语言 436

10.2.2推理机 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传动系统的配置选择、设计与仿真 444

10.5.4.1配置选择 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推理方法 458

11.3.1.1 Marndani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

11.5一般设计方法 469

11.6应用情况 469

11.6.1异步电动机速度控制 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Rs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神经元结构 506

12.2.1生物神经元的概念 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（SHE-PWM） 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