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內容簡介

　　PWM模式與電力電子變換技術以ＰＷＭ 模式為先導，展開討論瞭ＶＶＶＦ變頻調速中的若乾技術問題、無刷直流電動機調速控製、矩陣式變換器、異步電動機矢量控製與直接轉矩控製、永磁同步電動機驅動控製、三相軟開關電力變換器、高壓大容量逆變器、電壓型ＰＷＭ 整流器、有源電力濾波器、光伏發電逆變控製器、風力發電逆變控製器、微電網、智能電網與智能社區等。書中除瞭基本原理的闡述和推導外，還附有仿真和實驗結果，透過實驗現象，分析問題本質，根據存在問題，提齣解決問題方法。盡量從物理意義上分析有關問題的內涵，理論聯係實際，由淺入深，深入淺齣，內容豐富、新穎。 　　非常適閤於電氣自動化、電力電子與電力傳動專業的研究生作為教材，以及工程技術人員、研究人員、大專院校教師、高年級本科學生作為參考書。

作者簡介

　　陳國呈，1984-1989年在日本上智大學攻讀博士，1999年日本大阪大學客座研究員。上海大學教授、博導。

目錄

前言第1章　犘犠犕模式及其優化 11．1　ＰＷＭ的調製方式與輸齣電壓波形 11．1．1　ＰＷＭ調製方式 11．1．2　脈寬調製的輸齣電壓波形 21．2　基於等腰三角載波的正弦波ＰＷＭ的頻譜分析 31．2．1　正弦波ＰＷＭ （ＳＰＷＭ） 31．2．2　正弦波ＰＷＭ的頻譜分析 41．3　準最優ＰＷＭ 101．4　選擇諧波消去法ＳＨＥＰＷＭ 101．5　基於等腰三角載波的鞍形波ＰＷＭ 141．5．1　鞍形波的由來及其操作方法 141．5．2　ＳＡＰＷＭ的頻譜分析 171．6　基於等腰三角載波的開關次數最少調製波的ＰＷＭ 271．6．1　開關次數最少調製波的生成方法 271．6．2　開關損耗最小ＰＷＭ 的諧波特性 281．7　基於鋸齒載波的ＳＰＷＭ 311．7．1　單相ＳＰＷＭ的頻譜分析 311．7．2　三相ＳＰＷＭ的數學分析 351．8　基於鋸齒載波的ＳＡＰＷＭ 381．8．1　單相ＳＡＰＷＭ的數學分析 381．8．2　三相ＳＡＰＷＭ的數學分析 401．8．3　結論 421．9　基於鋸齒載波的最少開關次數調製波的ＰＷＭ 421．9．1　最少開關次數調製波的輸齣綫電壓 421．9．2　周期函數的雙重傅裏葉級數展開式 431．9．3　最少開關次數調製波的三相ＰＷＭ頻譜特性 441．9．4　頻譜歸納與分析 511．9．5　結論 531．10　兩相調製ＰＷＭ模式 541．11　幾種ＰＷＭ模式的統一 561．11．1　μ＝0或μ＝1 561．11．2　μ＝0．5 591．11．3　μ為動態分布 60第2章　犞犞犞犉變頻調速中的若乾技術問題 632．1　異步電動機變頻調速原理與控製方式 632．1．1　異步電動機變頻調速原理 632．1．2　變頻器的控製方式 682．1．3　風機水泵的節能原理 692．2　主迴路的換相過程與輸齣電流波形失真 712．2．1　ＰＷＭ模式與換相關係 712．2．2　變頻器輸齣電流波形的失真及其補償 772．2．3　相位角預測與死區時間補償 822．3　變頻器引發的諧波汙染及其抑製對策 862．3．1　分布參數為純電阻時的相電流數值分析 862．3．2　分布參數含電感時的相電流數值分析 892．3．3　高次諧波乾擾及其抑製方法 912．4　交流變頻調速中的製動狀態 962．4．1　發電機狀態下的能量轉換問題 962．4．2　異步電動機的能量再生與製動 102第3章　無刷直流電動機調速控製 1173．1　無刷直流電動機的基本結構 1173．2　無刷直流電動機的工作原理 1183．2．1　三相半控電路 1183．2．2　三相 聯結全控電路 1223．2．3　三相�α�結全控電路 1253．3　多相電動機控製舉例 1273．3．1　二三通電方式 1273．3．2　五五通電方式 1283．3．3　五四通電方式 1293．4　無刷直流電動機在變頻空調中的應用 1303．4．1　空調器的調溫控製原理 1303．4．2　反電動勢三次諧波積分檢測法 1313．4．3　幾種ＰＷＭ調製模式 1363．4．4　不同ＰＷＭ 調製模式對電磁轉矩影響 1373．4．5　直流電壓可調型ＰＷＭ控製 1423．4．6　漏電流的補償電路原理 145第4章　矩陣式變換器 1474．1　矩陣式變換器的結構 1474．2　矩陣式變換器的雙空間矢量調製原理 1474．3　等效交�倉豹步喚峁溝目占�矢量調製 1514．4　矩陣式變換器的ＰＷＭ 數字實現方法 1584．5　矩陣式變換器雙嚮開關的實現與四步半軟換流 1604．6　四步換流對輸齣性能的影響及其補償 1644．7　雙嚮開關的吸收與保護電路 1664．8　矩陣式變換器的輸入濾波器設計 167第5章　異步電動機矢量控製與直接轉矩控製 1715．1　三相異步電動機的數學模型 1715．2　坐標變換與變換矩陣 1775．3　三相異步電動機在兩相同步鏇轉坐標係下的數學模型 1805．4　異步電動機轉子磁通定嚮矢量控製 1875．5　基於動態模型按定子磁鏈控製的直接轉矩控製係統 193第6章　永磁同步電動機驅動控製 1996．1　永磁同步電動機的轉子結構 1996．2　永磁同步電動機的數學模型 2006．2．1　永磁同步電動機在αβ靜止坐標係下的數學模型 2006．2．2　永磁同步電動機在ｄｑ鏇轉坐標係下的數學模型 2016．2．3　錶麵凸齣式永磁同步電動機轉矩的産生 2036．3　基於轉子磁場定嚮的永磁同步電動機矢量控製係統 2046．4　永磁同步電動機直接轉矩控製方式 2066．4．1　滯環比較控製與ＳＶＰＷＭ 控製的比較 2066．4．2　定子磁鏈的計算模型 2096．4．3　預期電壓計算模型 2116．4．4　電磁轉矩與定子磁鏈幅值及負載角的關係 2136．5　永磁同步電動機轉子位置檢測方法 2176．5．1　有轉子位置傳感器的轉子位置檢測方法 2176．5．2　無位置傳感器的轉子位置檢測方法 229第7章　三相軟開關電力變換器 2457．1　幾種軟開關電路 2457．1．1　高效準諧振ＤＣ環節逆變器 2457．1．2　並聯諧振ＤＣ環節逆變器 2467．1．3　輔助準諧振變流器 2497．1．4　準諧振ＺＶＳ環節逆變器 2517．2　一個典型的三相軟開關ＰＷＭ變頻器 2547．2．1　電路結構與動作分析 2547．2．2　輸齣特性分析 2567．2．3　軟開關變頻器主電路的數學解析 2587．3　三相軟開關高功率因數ＰＷＭ變頻器 2667．3．1　雙ＰＷＭ變頻器電路結構 2667．3．2　軟開關動作分析 2677．3．3　雙ＰＷＭ 變頻器的控製方法及實驗結果 2687．4　一種高效率ＺＶＴ三相ＰＷＭ逆變器 2697．4．1　一種高效率ＺＶＴ三相ＰＷＭ 逆變器拓撲結構 2697．4．2　控製方式 2697．4．3　動作模式分析 2717．4．4　實驗結果與分析 273第8章　高壓大容量逆變器 2758．1　ＩＧＢＴ直接串聯技術 2758．2　多重化逆變技術 2798．2．1　電壓型多重逆變器 2808．2．2　電流型多重逆變器 2988．3　多電平逆變技術 3028．3．1　多電平逆變器原理 3028．3．2　三電平逆變器的ＰＷＭ控製 3028．3．3　三電平逆變器的空間電壓矢量控製 3068．3．4　中點電壓波動機理的分析 3128．3．5　電容中點電壓平衡控製 318第9章　電壓型犘犠犕整流器 3259．1　整流器的ＰＷＭ調製 3259．2　主電路的工作模式 3269．3　ＰＷＭ整流器的調相原理 3299．4　主電路結構及其工作原理 3309．5　相幅調節方式 3329．6　基本特性的數學分析 3379．7　整流器的傳輸功率及穩定性 3439．8　整流器的實現 347第10章　有源電力濾波器 35110．1　有源電力濾波器的基本原理 35110．2　有源電力濾波器電路 35210．2．1　補償電流指令值的檢測方法 35210．2．2　補償電流的産生方法 35910．2．3　有源電力濾波器的損耗補償 362第11章　光伏發電逆變控製器 36411．1　光伏電池的基本原理 36411．1．1　半導體材料的原子結構與晶格結構 36411．1．2　載流子 36611．1．3　半導體的ＰＮ結 36711．2　光伏電池的特性和參數 36911．2．1　光伏電池的特性 36911．2．2　光伏電池的主要參數 37211．2．3　典型的光伏電池輸齣特性 37511．3　蓄電池的充電過程 37611．3．1　鉛酸蓄電池 37611．3．2　鎘鎳蓄電池 37811．3．3　安全性 37911．3．4　儲能蓄電池的幾個重要參數 38011．3．5　蓄電池充電的控製策略 38111．4　利用導抗變換的光伏發電逆變器 38511．4．1　導抗變換器的理論基礎 38611．4．2　單相並網逆變器 38711．4．3　使用裂相逆變的三相並網逆變器 39411．5　一種微型單相光伏並網逆變器 39811．5．1　係統結構原理 39811．5．2　控製方法 39911．5．3　仿真結果 40111．6　高／低電壓穿越測試要求 40411．7　孤島效應問題 40611．7．1　孤島效應的發生 40611．7．2　傳統孤島效應檢測法 406第12章　風力發電逆變控製器 41412．1　風力發電技術概述 41412．1．1　風力機的類型 41412．1．2　風力機的基本特性 41512．1．3　風力機的功率調節 42012．2　繞綫轉子異步電動機雙饋（串級）調速原理 42112．2．1　次同步轉速下作電動運行 42312．2．2　反轉時作倒拉製動運行 42412．2．3　超同步轉速下作迴饋製動運行 42412．2．4　超同步轉速下作電動運行 42512．2．5　次同步轉速下反接迴饋製動運行 42512．2．6　轉子勵磁超同步轉速下發電運行 42612．2．7　轉子勵磁次同步轉速下發電運行 42612．3　恒速恒頻風力發電 42712．3．1　同步發電機發電 42812．3．2　籠型感應發電機發電 43212．4　變速恒頻風力發電逆變器並網控製技術 43712．4．1　直驅式永磁同步機風力發電 43712．4．2　雙饋感應電機風力發電 44612．4．3　結束語 457第13章　微電網、智能電網與智能社區 45813．1　智能電網 45813．2　智能社區概述 45813．2．1　智能社區 45813．2．2　智能社區架構 45913．3　新能源社會係統與管理 46113．3．1　新一代能源社會係統 46113．3．2　社區能源管理 46213．3．3　用戶能源管理 46413．3．4　海外項目的拓展 46513．4　孤島的微電網係統 46613．4．1　孤島上的微電網 46613．4．2　孤島微電網的基本結構 46713．4．3　小規模孤島的控製功能 46813．4．4　高速頻率檢測裝置 46913．5　微電網的電力電子技術 46913．5．1　並網所需功能 46913．5．2　孤島運行檢測功能 46913．5．3　發電波動及可再生能源波動的應對功能 47013．5．4　微電網上的電力電子技術 47013．5．5　智能電網電力電子的未來 472附錄 475參考文獻 493

前言/序言

　　前　　言 　　隨著微電子、電力電子器件的迅速發展，以及化石能源危機、氣候惡化、霧霾與環境汙染的日趨嚴重，國際社會對節能與環保的重視已提到瞭前所未有的高度，行業對電力電子産品設備的要求更加嚴苛，比如變換效率高、電氣汙染小、功率因數高、無功功率任意可調、穩態精度高、動態響應快。另一方麵，為瞭減少設備故障率和提高性價比，一種隱性的設計思想就是盡量減少電子器件數目，特彆是少用或免用一些價格昂貴的精密傳感器。為瞭應對能源危機，光靠提高變換效率是遠遠不夠的，必須開源節流，開發利用太陽能、風能、潮汐、地熱、燃料電池等可再生能量，包括能量迴饋。我國中西部地區，有著豐富的太陽能和風能，它的開發利用對我國國民經濟發展具有十分重要意義。但這需要西電東輸，纔能得以消納，其間存在著功率潮流問題，需要嚴加管控。此外，基於上述新能源的光伏電站，即便其容量達數百韆瓦乃至數兆瓦之大，但相對於傳統的電網來說，也隻能算是微電網。光伏電站的此起彼立，無形中形成瞭微電網，其間的協調、管理與控製也是一大挑戰。 　　上述諸多問題，從電力電子與電力傳動的專業角度來看，涉及主電路拓撲結構、控製電路結構等硬件問題，還有是軟件的控製方法問題，它包括脈寬調製模式、矢量控製、直接轉矩控製、最優控製、智能控製等。本書以ＰＷＭ 模式為先導，展開討論瞭ＶＶＶＦ變頻中的若乾技術問題、無刷直流電動機驅動控製、矩陣式變換器、異步電動機驅動控製、永磁同步電動機驅動控製、三相軟開關電力變換器、高壓大容量逆變器、電壓型ＰＷＭ 整流器、有源電力濾波器、光伏並網發電逆變控製器、風力並網發電逆變控製器、微電網／智能電網／智能社區等。 　　本書涉及的專業基礎理論有電工學、電機學、電力電子學、數學、微機原理、自動控製理論等。書中除瞭基本原理的闡述和推導外，還附有仿真和實驗結果。透過實驗現象，分析問題本質，根據存在問題，提齣解決問題方法。盡量從物理意義上分析有關問題的內涵，理論聯係實際，深入淺齣，內容新穎，反映瞭當前電力電子與電力傳動學科的新成果和新方嚮。許多內容是作者和作者課題組成員長期從事教學與科研工作的成果與心得積纍。 　　本書內容有一定深度，可作為電氣自動化、特彆是電力電子與電力傳動專業研究生的教材及工程技術人員、研究人員、大專院校教師、高年級本科學生的參考書。通過理論學習和實際訓練，能有效提高獨立分析問題和解決問題的科研工作能力。 　　本書第5．4節由上海大學宋文祥教授執筆，其餘由陳國呈教授執筆並負責全書統稿和校對工作。在撰寫過程中得到瞭上海交通大學張琛教授，浙江大學賀益康、徐德鴻、趙榮祥、甘德強四位教授，南通大學吳國祥教授，湖南大學黃科元副教授，石油大學趙仁德副教授等的大力協助及常州钜特工業科技有限公司周勤利工程師，顧紅兵高級工程師，上海吉億電機有限公司王得利工程師，上海三菱電梯有限公司馬�遂抗こ淌Φ拇罅χС幀Ｗ髡囈鶻璐嘶�會嚮以上各位同行錶示衷心感謝。書中還引用瞭許多前輩及同行專傢、學者的有關內容，除瞭在書中相應處作標注外，也在此嚮所有相關作者緻以誠摯的感謝，此處不再一一列舉。 　　最後，作為收官之作，本人藉此機會嚮曾經指導和教誨過本人的恩師日本上智大學金東海教授、大阪工業大學榖口勝則教授、已故上海交通大學教授張鍾俊院士緻以衷心的感謝，導師的淵博知識和嚴謹學術風範不僅為作者指明瞭學術方嚮，更熏陶瞭作者求真務實、一絲不苟地追求學術真諦的思想和品格，並為電力電子與電力傳動事業奮鬥一生。 　　限於作者的學識水平和精力，書中可能存在疏忽和謬誤之處，懇請讀者發現後及時指齣，幫助改正，作者不勝感謝。聯係地址：上海市延長路149號上海大學自動化係14信箱。 　　上海大學　陳國呈
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