現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動

內(nèi)容概要

本書詳細(xì)介紹了電力半導(dǎo)體器件、交流電動機(jī)、相控變流器、交交變頻器、電壓源型逆變器、電流源型逆變器、異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差功率的回饋控制、異步電動機(jī)傳動的控制與狀態(tài)估計、同步電動機(jī)傳動的控制與狀態(tài)估計、專家系統(tǒng)原理與應(yīng)用、模糊邏輯原理與應(yīng)用和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用等內(nèi)容，涵蓋了現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動技術(shù)的整個體系。
本書深入淺出、通俗易懂，非常適合用作電氣工程類專業(yè)本科生與研究生的教材，也可以作為電氣工程師的參考書。

書籍目錄

主要符號表
第1章電力半導(dǎo)體器件1
1.1引言1
1.2二極管1
1.3晶閘管3
1.3.1伏安特性4
1.3.2開關(guān)特性4
1.3.3功率損耗和熱阻抗5
1.3.4電流額定值6
1.4雙向晶閘管7
1.5門極關(guān)斷(GTO)晶閘管9
1.5.1開關(guān)特性9
1.5.2回饋式緩沖器11
1.6雙極型晶體管(BPT或BJT)12
1.7電力MOSFET13
1.7.1VI特性13
1.7.2安全工作區(qū)(SOA)14
1.8靜電感應(yīng)晶體管(SIT)16
1.9絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)16
1.10MOS控制晶閘管(MCT)19
1.11集成門極換向晶閘管(IGCT)20
1.12大能量帶隙材料在電力半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用20
1.13功率集成電路(PIC)21
1.14小結(jié)22
參考文獻(xiàn)22
第2章交流電動機(jī)傳動24
2.1引言24
2.2異步電動機(jī)25
2.2.1旋轉(zhuǎn)磁場25
2.2.2轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生27
2.2.3等效電路28
2.2.4轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線32
2.2.5電動機(jī)的NEMA分類34
2.2.6變壓恒頻運(yùn)行34
2.2.7變頻運(yùn)行35
2.2.8恒電壓/頻率運(yùn)行36
2.2.9傳動運(yùn)行區(qū)域37
2.2.10變定子電流運(yùn)行38
2.2.11諧波的影響40
2.2.11.1諧波發(fā)熱 40
2.2.11.2電動機(jī)參數(shù)變化43
2.2.11.3轉(zhuǎn)矩脈動43
2.2.12動態(tài)dq模型45
2.2.12.1坐標(biāo)軸變換46
2.2.12.2同步旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系動態(tài)模型(Kron方程)50
2.2.12.3靜止坐標(biāo)系動態(tài)模型(Stanley方程)53
2.2.12.4動態(tài)模型的狀態(tài)空間方程56
2.3同步電動機(jī)59
2.3.1繞線勵磁電動機(jī)59
2.3.1.1等效電路60
2.3.1.2電磁轉(zhuǎn)矩62
2.3.1.3凸極式電動機(jī)特性63
2.3.1.4動態(tài)de-qe電動機(jī)模型(Park模型)65
2.3.2同步磁阻電動機(jī)68
2.3.3永磁(PM)電動機(jī)68
2.3.3.1永磁材料68
2.3.3.2正弦波表面式永磁(SPM)電動機(jī)70
2.3.3.3正弦波嵌入式永磁(IPM)電動機(jī)71
2.3.3.4梯形波表面式永磁(SPM)電動機(jī)73
2.4可變磁阻電動機(jī)(VRM)74
2.5小結(jié)76
參考文獻(xiàn)76
第3章二極管及相控變流器77
3.1引言77
3.2二極管整流器77
3.2.1單相橋式電路——電阻、阻感負(fù)載78
3.2.2電源電感的影響80
3.2.3單相橋式電路——阻感、反電動勢（CEMF）負(fù)載81
3.2.4單相橋式電路——阻容負(fù)載81
3.2.5畸變因數(shù)、位移功率因數(shù)和功率因數(shù)83
3.2.6畸變因數(shù)(DF)83
3.2.7位移功率因數(shù)(DPF)83
3.2.8功率因數(shù)(PF)84
3.2.9三相全橋電路——阻感負(fù)載84
3.2.10三相全橋電路——阻容負(fù)載86
3.3晶閘管變流器88
3.3.1單相橋式電路——阻感、反電動勢負(fù)載88
3.3.2不連續(xù)導(dǎo)電模式91
3.3.3三相變流器——阻感、反電動勢負(fù)載93
3.3.4三相半波變流器94
3.3.5電源漏感(Lc)分析97
3.3.6三相橋式變流器100
3.3.7三相橋式變流器的不連續(xù)導(dǎo)電模式103
3.3.8三相雙組橋變流器106
3.3.96脈波中心抽頭變流器106
3.3.1012脈波變流器108
3.3.11橋式變流器的并行控制和順序控制109
3.4變流器控制110
3.4.1線性觸發(fā)延遲角控制110
3.4.2余弦交點控制111
3.4.3鎖相振蕩器原理112
3.5電磁干擾(EMI)及電網(wǎng)供電質(zhì)量問題115
3.5.1EMI問題116
3.5.2電網(wǎng)諧波問題116
3.6小結(jié)117
參考文獻(xiàn)118
第4章交交變頻器119
4.1引言119
4.2相控交交變頻器119
4.2.1基本運(yùn)行原理119
4.2.2三相雙組變流器用作交交變頻器120
4.2.3交交變頻器電路結(jié)構(gòu)123
4.2.3.1三相半波交交變頻器123
4.2.3.2三相橋式交交變頻器124
4.2.4有環(huán)流模式和無環(huán)流模式的比較126
4.2.4.1有環(huán)流模式126
4.2.4.2無環(huán)流模式129
4.2.5負(fù)載和電網(wǎng)諧波130
4.2.5.1負(fù)載電壓諧波130
4.2.5.2電網(wǎng)電流諧波133
4.2.6電網(wǎng)位移功率因數(shù)135
4.2.7交交變頻器的控制140
4.2.8改善DPF的方法141
4.2.8.1方波運(yùn)行141
4.2.8.2不對稱觸發(fā)延遲角控制142
4.2.8.3環(huán)流控制144
4.3矩陣式變流器145
4.4高頻交交變頻器147
4.4.1高頻相控交交變頻器147
4.4.2高頻、整數(shù)脈沖交交變頻器147
4.4.2.1正弦供電147
4.4.2.2準(zhǔn)方波供電148
4.5小結(jié)149
參考文獻(xiàn)149
第5章電壓源型變流器151
5.1引言151
5.2單相逆變器152
5.2.1半橋逆變器及變壓器中心抽頭式逆變器152
5.2.2全橋或H橋逆變器152
5.3三相橋式逆變器156
5.3.1方波或6脈波運(yùn)行方式156
5.3.2電動與發(fā)電模式160
5.3.3輸入紋波161
5.3.4器件的電壓和電流額定值161
5.3.5移相電壓控制161
5.3.6電壓（幅值）和頻率控制163
5.4多重化逆變器（多階梯波逆變器）164
5.4.112階梯波逆變器164
5.4.2移相控制的18階梯波逆變器166
5.5脈沖寬度調(diào)制技術(shù)167
5.5.1正弦PWM168
5.5.2特定諧波消除PWM(SHEPWM)174
5.5.3最小紋波電流PWM178
5.5.4空間矢量PWM178
5.5.5瞬時電流控制正弦PWM186
5.5.6滯環(huán)電流控制PWM187
5.5.7SigmaDelta調(diào)制189
5.6三電平逆變器190
5.7硬開關(guān)的影響194
5.8諧振型逆變器196
5.9 軟開關(guān)逆變器198
5.10動力與再生制動201
5.10.1動力制動201
5.10.2再生制動202
5.11PWM整流器203
5.11.1帶有升壓斬波器的二極管整流器203
5.11.1.1單相203
5.11.1.2三相204
5.11.2用于輸入整流的PWM變流器205
5.11.2.1單相205
5.11.2.2三相207
5.12靜止無功補(bǔ)償器和有源濾波器209
5.13對基于MATLAB/SIMULINK仿真的介紹212
5.14小結(jié)215
參考文獻(xiàn)216
第6章電流源型變流器218
6.1引言218
6.26脈波晶閘管逆變器的基本原理219
6.2.1模式1: 負(fù)載換相整流器(0≤α≤π/2)222
6.2.2模式 2: 負(fù)載換相逆變器(π/2≤α≤π)222
6.2.3模式 3: 強(qiáng)迫換相逆變器(π≤α≤3π/2)222
6.2.4模式4: 強(qiáng)迫換相整流器(3π/4≤α≤2π)222
6.3負(fù)載換相逆變器223
6.3.1單相諧振逆變器223
6.3.2三相逆變器226
6.3.2.1滯后功率因數(shù)負(fù)載226
6.3.2.2過勵同步電動機(jī)負(fù)載227
6.3.2.3同步電動機(jī)起動228
6.4強(qiáng)迫換相逆變器229
6.5諧波熱效應(yīng)和轉(zhuǎn)矩脈動231
6.6多重化逆變器232
6.7帶自換相裝置的逆變器234
6.7.16脈波逆變器234
6.7.2PWM逆變器237
6.7.2.1梯形波PWM237
6.7.2.2特定諧波消除PWM（SHEPWM）239
6.7.3雙邊PWM變流器系統(tǒng)240
6.7.4PWM整流器的應(yīng)用243
6.7.4.1靜止無功補(bǔ)償器/有源濾波器243
6.7.4.2超導(dǎo)磁場儲能（SMES）244
6.7.4.3直流電動機(jī)調(diào)速244
6.8電流源型變流器和電壓源型變流器的比較244
6.9小結(jié)245
參考文獻(xiàn)246
第7章異步電動機(jī)轉(zhuǎn)差功率回饋型傳動系統(tǒng)247
7.1引言247
7.2轉(zhuǎn)子變阻器調(diào)速的雙饋電動機(jī)247
7.3靜止Kramer傳動248
7.3.1矢量圖251
7.3.2交流等效電路253
7.3.3轉(zhuǎn)矩表達(dá)式256
7.3.4諧波257
7.3.5Kramer傳動的調(diào)速258
7.3.6功率因數(shù)的改善258
7.4靜止Scherbius傳動260
7.4.1運(yùn)行模式261
7.4.2用于VSCF發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)Scherbius傳動262
7.5小結(jié)264
參考文獻(xiàn)264
第8章異步電動機(jī)傳動系統(tǒng)的控制與估計266
8.1引言266
8.2基于小信號模型的異步電動機(jī)控制267
8.3標(biāo)量控制271
8.3.1電壓源型逆變器的控制271
8.3.1.1開環(huán)電壓/頻率(V/F)控制271
8.3.1.2變頻傳動的節(jié)能效果274
8.3.1.3帶轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)的速度控制275
8.3.1.4帶有轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制的速度控制276
8.3.1.5電流控制的電壓源型逆變器傳動278
8.3.1.6并聯(lián)電動機(jī)的牽引傳動278
8.3.2電流源型逆變器的控制280
8.3.2.1獨立的電流和頻率控制280
8.3.2.2電流源型逆變器傳動系統(tǒng)的速度和磁鏈控制281
8.3.2.3電流源型逆變器傳動系統(tǒng)的電壓/頻率(V/F)控制282
8.3.3基于磁鏈規(guī)劃的效率優(yōu)化控制282
8.4矢量控制或磁場定向控制285
8.4.1與直流傳動類比285
8.4.2等效電路和相量圖287
8.4.3矢量控制原理287
8.4.4直接或反饋矢量控制289
8.4.5磁鏈?zhǔn)噶康墓烙?91
8.4.5.1基于電壓模型的方法291
8.4.5.2基于電流模型的方法294
8.4.6間接或前饋矢量控制294
8.4.7電網(wǎng)側(cè)PWM整流器的矢量控制303
8.4.8定子磁鏈定向的矢量控制305
8.4.9電流源型逆變器傳動系統(tǒng)的矢量控制307
8.4.10周波變流器傳動系統(tǒng)的矢量控制308
8.5無傳感器矢量控制311
8.5.1轉(zhuǎn)速估算方法311
8.5.1.1轉(zhuǎn)差頻率計算法311
8.5.1.2基于狀態(tài)方程的直接綜合法312
8.5.1.3模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)（MRAS）313
8.5.1.4轉(zhuǎn)速自適應(yīng)磁鏈觀測器（Luenberger觀測器）法315
8.5.1.5擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）法318
8.5.1.6齒諧波法321
8.5.1.7凸極轉(zhuǎn)子注入輔助信號321
8.5.2無速度信號的直接矢量控制321
8.5.2.1可編程的級聯(lián)低通濾波器（PCLPF）定子磁鏈估計321
8.5.2.2基于電流模型方程的電動機(jī)起動控制325
8.6直接轉(zhuǎn)矩和磁鏈控制（DTC）327
8.6.1基于定子和轉(zhuǎn)子磁鏈的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式328
8.6.2DTC的控制策略328
8.7自適應(yīng)控制331
8.7.1自調(diào)節(jié)控制332
8.7.2模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）334
8.7.3滑?？刂?36
8.7.3.1控制原理336
8.7.3.2矢量控制系統(tǒng)的滑?？刂?40
8.8傳動系統(tǒng)的自整定345
8.9小結(jié)349
參考文獻(xiàn)350
第9章同步電動機(jī)傳動系統(tǒng)的控制與估計353
9.1引言353
9.2正弦波SPM同步電動機(jī)傳動354
9.2.1開環(huán)電壓/頻率控制354
9.2.2自控方式357
9.2.3絕對位置編碼器358
9.2.3.1光學(xué)編碼器358
9.2.3.2帶解碼器的模擬式旋轉(zhuǎn)變壓器359
9.2.4矢量控制361
9.3同步磁阻電動機(jī)傳動366
9.3.1恒定de軸電流(ids)控制368
9.3.2快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)控制370
9.3.3最大轉(zhuǎn)矩/電流控制371
9.3.4最大功率因數(shù)控制373
9.4正弦波IPM電動機(jī)傳動374
9.4.1最大轉(zhuǎn)矩/電流的電流矢量控制375
9.4.2弱磁控制377
9.4.3定子磁鏈定向的矢量控制378
9.4.3.1反饋信號處理384
9.4.3.2方波(SW)模式下的弱磁控制386
9.4.3.3PWM－SW模式的切換388
9.5梯形波SPM同步電動機(jī)傳動系統(tǒng)389
9.5.1基于逆變器的傳動系統(tǒng)389
9.5.1.12π/3角導(dǎo)通方式390
9.5.1.2PWM電壓和電流控制方式391
9.5.2轉(zhuǎn)矩－速度曲線393
9.5.3電動機(jī)的動態(tài)模型394
9.5.4傳動系統(tǒng)的控制395
9.5.4.1反饋方式中的閉環(huán)速度控制395
9.5.4.2FW方式中的閉環(huán)電流控制395
9.5.5轉(zhuǎn)矩脈動395
9.5.6基速以上的運(yùn)行398
9.6繞組勵磁式同步電動機(jī)傳動系統(tǒng)399
9.6.1有刷和無刷直流勵磁399
9.6.2負(fù)載換相逆變器(LCI)傳動系統(tǒng)399
9.6.2.1恒定γ角下LCI傳動系統(tǒng)的控制401
9.6.2.2觸發(fā)延遲角αd或φ′角的控制403
9.6.2.3采用電動機(jī)端電壓信號的控制406
9.6.2.4鎖相環(huán)(PLL)γ角的控制408
9.6.3周波變流器傳動系統(tǒng)的標(biāo)量控制409
9.6.4周波變流器傳動系統(tǒng)的矢量控制411
9.6.5電壓源型逆變器的矢量控制416
目錄ⅩⅦ9.7無傳感器控制416
9.7.1梯形波SPM電動機(jī)的無傳感器控制416
9.7.1.1電動機(jī)端電壓檢測法417
9.7.1.2定子3次諧波電壓檢測法418
9.7.2正弦波永磁電動機(jī)的無傳感器控制421
9.7.2.1電動機(jī)端電壓和電流檢測法422
9.7.2.2電感變化(凸極)效應(yīng)法423
9.7.2.3擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)的狀態(tài)估計法425
9.8開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM)傳動系統(tǒng)427
9.9小結(jié)429
參考文獻(xiàn)430
第10章專家系統(tǒng)原理及應(yīng)用432
10.1引言432
10.2專家系統(tǒng)原理433
10.2.1知識庫433
10.2.1.1框架結(jié)構(gòu)435
10.2.1.2元知識436
10.2.1.3ES語言436
10.2.2推理機(jī)436
10.2.3用戶界面437
10.3專家系統(tǒng)的命令解釋程序438
10.3.1命令解釋程序的特性438
10.3.2外部接口439
10.3.3程序開發(fā)步驟439
10.4ES的設(shè)計方法440
10.5應(yīng)用實例441
10.5.1傳動裝置中的PI調(diào)節(jié)器441
10.5.2故障診斷442
10.5.3交流傳動產(chǎn)品的選擇443
10.5.4傳動系統(tǒng)的配置選擇、設(shè)計與仿真444
10.5.4.1配置選擇444
10.5.4.2電動機(jī)額定參數(shù)設(shè)計445
10.5.4.3變流器設(shè)計445
10.5.4.4控制設(shè)計和仿真研究447
10.6術(shù)語表448
10.7小結(jié)449
參考文獻(xiàn)449
第11章模糊邏輯原理及其應(yīng)用450
11.1引言450
11.2模糊集合450
11.2.1隸屬函數(shù)(MF)451
11.2.2模糊集合運(yùn)算453
11.3模糊系統(tǒng)456
11.3.1推理方法458
11.3.1.1Mamdani方法458
11.3.1.2Lusing Larson方法459
11.3.1.3Sugeno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
11.3.2.4Sugeno解模糊法464
11.4模糊控制464
11.4.1為什么要模糊控制464
11.4.2歷史回顧465
11.4.3控制原理465
11.4.4模糊控制器的實現(xiàn)468
11.5一般設(shè)計方法469
11.6應(yīng)用情況469
11.6.1異步電動機(jī)速度控制469
11.6.2異步電動機(jī)傳動系統(tǒng)基于磁鏈在線規(guī)劃的效率優(yōu)化472
11.6.3風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)477
11.6.3.1風(fēng)力渦輪機(jī)特性478
11.6.3.2系統(tǒng)描述478
11.6.3.3模糊控制479
11.6.4間接矢量控制的轉(zhuǎn)差增益調(diào)節(jié)483
11.6.5定子電阻Rs的估計486
11.6.6畸變波形的估計491
11.6.6.1Mamdani方法491
11.6.6.2Sugeno方法492
11.7模糊邏輯工具箱493
11.7.1FIS編輯器494
11.7.2隸屬函數(shù)編輯器495
11.7.3規(guī)則編輯器495
11.7.4規(guī)則瀏覽器495
11.7.5控制曲面瀏覽器497
11.7.6基于模糊邏輯的同步電流控制演示程序497
11.8術(shù)語表502
11.9小結(jié)503
參考文獻(xiàn)504
第12章神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及其應(yīng)用505
12.1引言505
12.2神經(jīng)元結(jié)構(gòu)506
12.2.1生物神經(jīng)元的概念506
12.2.2人工神經(jīng)元507
12.3人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)508
12.3.1應(yīng)用示例：Y=AsinX511
12.3.2前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練511
12.3.2.1學(xué)習(xí)方法513
12.3.2.2基于ANN的字母識別513
12.3.3反向傳播訓(xùn)練515
12.3.4三層網(wǎng)絡(luò)的反向傳播算法516
12.3.4.1輸出層神經(jīng)元的權(quán)重計算517
12.3.4.2隱含層神經(jīng)元的權(quán)重計算519
12.3.5在線訓(xùn)練520
12.4其他網(wǎng)絡(luò)520
12.4.1徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)521
12.4.2Kohonen自組織特征映射（SOFM）網(wǎng)絡(luò)522
12.4.3用于動態(tài)系統(tǒng)的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)522
12.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在辨識和控制中的應(yīng)用525
12.5.1時滯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)525
12.5.2動態(tài)系統(tǒng)建模526
12.5.3動態(tài)模型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識528
12.5.4逆動態(tài)模型529
12.5.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制529
12.6一般設(shè)計方法531
12.7神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用532
12.7.1PWM控制器532
12.7.1.1特定諧波消除PWM(SHEPWM)532
12.7.1.2瞬時電流控制PWM533
12.7.1.3空間矢量PWM535
12.7.2矢量控制系統(tǒng)的反饋信號估計539
12.7.3畸變波形的估計542
12.7.4傳動系統(tǒng)的模型辨識和自適應(yīng)控制545
12.7.5基于遞歸網(wǎng)絡(luò)的速度估計546
12.7.6基于RNN的自適應(yīng)磁鏈估計548
12.8模糊神經(jīng)系統(tǒng)550
12.9神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的演示程序552
12.9.1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的介紹552
12.9.2演示程序553
12.10術(shù)語表556
12.11小結(jié)557
參考文獻(xiàn)558

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