電力電子與電機系統(tǒng)集成分析基礎

前言

　　當今世界正迅速地從工業(yè)化社會向信息化社會過渡，傳統(tǒng)意義上的制造業(yè)在經歷著日益深刻的變化。許多一度被稱為“夕陽產業(yè)”的行業(yè)在吸收、溶入了大批新技術之后，又呈現出蓬勃發(fā)展的勢頭，這在電力傳動行業(yè)體現得尤為突出。包括現代電力電子、計算機控制、計算機輔助設計、信息采集與交換網絡及新型電工材料等在內的一系列新技術的采用，極大地促進了電力傳動產業(yè)的發(fā)展?！　　半娏﹄娮优c電機集成系統(tǒng)”正是在這樣的發(fā)展背景下形成的學科研究方向。它以現代電力傳動系統(tǒng)中的集成化、智能化、通用化和信息化為主要內容，以綜合運用機電能量轉換、電力電子、微電子和通信控制等多種學科的方法為其特征。隨著該學科方向的深入研究，大大地擴展了電力傳動學科的內涵和外延，完善和提升現代電力傳動學理論與方法，為提高電力傳動系統(tǒng)的綜合效用，促進電力傳動產業(yè)的發(fā)展，提供更有效的理論指導和豐富的技術儲備。　　清華大學電機工程與應用電子技術系自1998年以來開始了電力電子與電機集成系統(tǒng)的研究。先后研究了變頻調速電機設計和分析方法、高次諧波的影響以及電機高頻等效模型、系統(tǒng)故障容錯、任意波形電力電子功率放大器、多電平變頻電源、矢量控制與直接轉矩控制的分析比較、功率半導體器件應用特性研究等，解決了和正在研究解決系統(tǒng)集成中的一些關鍵性問題，如：變頻電源與電機集成設計、集成系統(tǒng)安全工作區(qū)、基于脈沖，及其脈沖序列的閉環(huán)控制、集成系統(tǒng)全時域暫態(tài)過程分析和建模、系統(tǒng)瞬態(tài)電磁能量平衡等，取得了一些有意義的研究成果。

內容概要

　　《電力電子與電機系統(tǒng)集成分析基礎》從電力電子與電機系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，將電機、電力電子變換及其控制有機地結合在一起進行分析和應用?！峨娏﹄娮优c電機系統(tǒng)集成分析基礎》共分8章，主要介紹電力電子與電機集成系統(tǒng)的基本特征和主要內容；分析變頻電源對交流電機的影響，介紹變頻調速電機設計概念及諧波分析和可控優(yōu)化運行；介紹電力電子變換器中的半導體器件及其主回路特點，重點介紹多電平主回路結構；介紹與多電平結構相對應的PWM控制方法及其變異；著重分析系統(tǒng)中的部件匹配和集成特性效應；討論系統(tǒng)高精度閉環(huán)控制方法；分析集成系統(tǒng)中的數據通信；從能量變換的角度，討論集成系統(tǒng)中的電磁關系、電磁能量變換建模以及電磁能量傳輸等?！　　峨娏﹄娮优c電機系統(tǒng)集成分析基礎》可供從事電力傳動系統(tǒng)設計、研究、運行和管理等工作的專業(yè)科技人員、技術管理人員以及高等院校有關專業(yè)的教師與學生參考使用，《電力電子與電機系統(tǒng)集成分析基礎》可作為電力電子與電力傳動學科的研究生教材。

作者簡介

　　趙爭鳴，清華大學電機工程與應用電子技術系教授、博導、副系主任，電力系統(tǒng)國家重點實驗室副主任。1991年獲清華大學電機系博士學位，留校任教。1994至1997年分別在美國俄亥俄州立大學和加州大學歐文分校進行搏士后研究工作。主要研究領域：電力電子與電機控制集成系統(tǒng)、大容量電力電子變換器與太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用等。主持的科研項目先后獲中國高校科學技術一等獎、國家教育部科技進步三等獎、北京市科技進步二等獎和三等獎、中國電工技術學會科學技術一等獎、中國電力科學技術二等獎，軍隊科技進步二等獎和中國華電科技進步一等獎。參與編寫的圖書有：《中國電力大百科全書一電力系統(tǒng)卷》（中國電力出版社1995年）、《電工高新技術叢書一第六分冊》（機械工業(yè)出版社2000年）、《中國電機系統(tǒng)能源效率與市場潛力分析》（機械工業(yè)出版社2001年）、《太陽能光伏發(fā)電及其應用》（科學出版社2005年）、《電力電子設備設計和應用手冊（第3版）》（機械工業(yè)出版社2009年）等?！　≡?，清華大學電機工程與應用電子技術系副研究員。2004年獲清華大學電機系博士學位，留校任教。主要研究方向；電力電子與電機集成系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用、大容量電力電子變換器等。參與的科研項目先后獲中國高?？萍歼M步一等獎、中國電工技術學會科學技術一等獎、中國電力科學技術二等獎、北京市科技進步三等獎、中國華電科技進步一等獎。參與編寫的圖書有： 《太陽能光伏發(fā)電及其應用》（科學出版社，2005年）、《電力電子設備設計和應用手冊（第3版）》（機械工業(yè)出版社，2009）。

書籍目錄

前言本書常用符號及含義第1章 電力電子與電機系統(tǒng)集成概述1.1 電力傳動基礎1.1.1 麥克斯韋電磁定律1.1.2 電機的結構與原理1.1.3 電機的機械特性1.2 可變電源下的電力傳動1.2.1 VVVF控制方法1.2.2 矢量控制1.2.3 PWM調制與諧波分量1.3 集成系統(tǒng)的特征及內容1.3.1 集成實例分析1.3.2 集成系統(tǒng)的特征1.3.3 集成系統(tǒng)的基本內容參考文獻第2章 變頻電源驅動下的電機特性2.1 變頻調速對電機運行的影響2.1.1 電機機械特性的變化2.1.2 電機內部磁場分布的變化2.1.3 電機的電流諧波和電壓諧波增加2.1.4 電流和磁場矢量控制2.2 變頻調速電機設計主要概念2.2.1 變頻調速電機設計理念2.2.2 變頻調速電機設計公式2.3 變頻調速電機中的諧波分析2.3.1 變頻調速電機的分析模型2.3.2 諧波電流對磁場的影響及磁場分析2.3.3 諧波對損耗的影響及計算方法2.3.4 高次諧波對電機運行性能的影響分析2.4 閉環(huán)控制中的電機運行2.4.1 矢量控制中電機運行性能的分析模型2.4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)中電機穩(wěn)態(tài)運行點分析2.4.3 閉環(huán)控制下的電機性能分析2.4.4 最優(yōu)轉差率控制與電機運行點的匹配2.5 小結參考文獻第3章 電力電子器件與變換器3.1 電力半導體器件的分類3.1.1 按照電力半導體器件發(fā)展來分類3.1.2 按照電力半導體器件控制方式來分類3.1.3 按照電力半導體器件驅動方式分類3.1.4 按照電力半導體器件中載流子性質分類3.2 電力半導體器件的工作原理及特性3.2.1 單PN結器件（二極管）的工作原理與特性3.2.2 多PN結器件的工作原理3.2.3 多PN結器件的特性3.3 電力電子變換器的拓撲結構3.3.1 變換器理想開關的定義3.3.2 變換器的基本拓撲單元3.3.3 基于器件特性的變換器基本拓撲單元3.3.4 兩電平拓撲結構3.4 多電平電力電子變換器3.4.1 多電平變換器基礎3.4.2 二極管鉗位式多電平變換器3.4.3 電容懸浮式多電平變換器3.4.4 級聯式多電平變換器3.4.5 多電平統(tǒng)一變換拓撲及瞬態(tài)換流回路參考文獻第4章 PWM控制及其變異4.1 變換器的PWM控制方法及多電平SPWM4.1.1 PWM的基本概念4.1.2 載波PWM4.2 空間矢量PWM4.2.1 SVPWM基本原理4.2.2 SVPWM矢量合成4.2.3 SVPWM開關順序4.2.4 多電平SVPWM4.3 其他類型的PWM方法4.3.1 特定消諧PWM4.3.2 具有反饋環(huán)節(jié)的PWM4.3.3 單周期控制(One-cyclecontrol)4.4 PWM波形的死區(qū)、最小脈寬和異常脈沖4.4.1 死區(qū)及最小脈寬4.4.2 信號脈沖與功率脈沖參考文獻第5章 集成系統(tǒng)特性分析5.1 電機與負載集成5.1.1 典型負載及其數學描述5.1.2 電機與負載參數的匹配5.2 電機與變頻電源集成5.2.1 變頻調速下的電機效率5.2.2 變頻電源參數及其開關損耗5.2.3 集成系統(tǒng)的熱分析5.2.4 集成系統(tǒng)的過載保護5.3 高頻模型及其分析5.3.1 高頻模型的基本原理5.3.2 高頻等效電路5.4 集成系統(tǒng)的故障容錯5.4.1 容錯策略的基本原理.5.4.2 故障容錯的應用5.5 集成系統(tǒng)分析的特點參考文獻第6章 系統(tǒng)的閉環(huán)控制6.1 異步電機動態(tài)數學模型6.1.1 基本假設與物理模型6.1.2 動態(tài)數學模型6.2 矢量控制6.2.1 矢量控制的基本原理6.2.2 矢量控制系統(tǒng)的類型6.2.3 磁通觀測器6.3 直接轉矩控制6.3.1 直接轉矩控制的基本原理6.3.2 基本直接轉矩控制6.3.3 磁鏈觀測6.4 無速度傳感器控制6.4.1 直接計算法6.4.2 模型參考自適應法6.4.3 觀測器6.4.4 其他方法6.5 數字濾波器在磁鏈觀測中的應用6.5.1 有限沖擊響應濾波器的工作原理6.5.2 使用有限沖擊響應數字濾波器的定子磁鏈觀測器6.5.3 有限沖擊響應數字濾波器的效果6.6 矢量控制與直接轉矩控制的魯棒性分析6.6.1 關于魯棒性的簡單說明6.6.2 變頻調速系統(tǒng)的魯棒性分析6.6.3 速度傳感器對控制系統(tǒng)魯棒性的影響6.7 矢量控制與直接轉矩控制試驗比較6.7.1 試驗條件6.7.2 試驗系統(tǒng)平臺6.7.3 試驗原理分析6.7.4 試驗內容與結果分析參考文獻第7章 控制與檢測信號的數據通信7.1 數據通信系統(tǒng)的結構及分類7.1.1 通信信號及其特點7.1.2 集成系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)型式7.1.3 通信的可靠性與容錯7.2 集成系統(tǒng)信號數據流特點7.2.1 控制系統(tǒng)的特征7.2.2 控制系統(tǒng)的數據流模型7.3 通信系統(tǒng)的硬件結構7.3.1 通信媒質的選取7.3.2 光纖CAN總線網絡硬件設計7.3.3 串行Rs-422通信硬件設計7.3.4 雙口RAM通信的硬件設計7.4 數據結構設計7.4.1 控制系統(tǒng)數據結構的統(tǒng)籌設計7.4.2 CAN總線通信協(xié)議與軟件的結構化設計7.4.3 RS-232通信協(xié)議與軟件的結構化設計7.4.4 RS-422通信協(xié)議與軟件的結構化設計7.4.5 雙口RAM通信協(xié)議與軟件的結構化設計7.4.6 通信容錯策略7.5 多種通信系統(tǒng)協(xié)同實現的綜合控制7.5.1 協(xié)調控制的實現步驟7.5.2 全局數據更新7.5.3 外圍控制功能參考文獻第8章 集成系統(tǒng)中的能量變換8.1 集成系統(tǒng)中的電磁能量8.1.1 電磁關系特點8.1.2 電路理論分析的局限性8.1.3 面向電磁能量處理的系統(tǒng)集成8.2 電磁能量變換建模8.2.1 集成系統(tǒng)的物理描述8.2.2 系統(tǒng)的數學建模8.2.3 開關器件中的電磁能量變換8.2.4 儲能元件中的電磁能量變換8.2.5 連接件中的電磁能量分析8.3 變換器中的電磁能量傳輸8.3.1 材料特性對電磁傳輸的影響8.3.2 變換器中的能量傳輸8.3.3 電磁波形在傳輸中的畸變及損耗8.4 基于電磁能量變換的集成系統(tǒng)設計發(fā)展參考文獻

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