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内容简介

　　《大功率变频器及交流传动》详细而又完整地介绍了大功率变频器及中压交流传动的最新发展技术，包括各种大功率变频器的拓扑结构、脉冲调制方法、先进的控制策略以及工业产品设计经验等。书中包括了250多个图表，对所有主要理论和控制方法，都给出了计算机仿真结果和试验波形。对于实际产品的设计和工业应用中的各种问题，书中也穿插于各章节中进行了详细介绍。

目录

译者序
前言
第1部分绪论
第1章概述3
1.1简介3
1.2技术难点5
1.2.1网侧的技术要求5
1.2.2电动机侧的技术要求6
1.2.3开关器件的限制7
1.2.4对传动系统的整体要求7
1.3变频器拓扑结构7
1.4中压传动工业产品9
1.5小结12
附录1A中压传动系统的应用概况12
参考文献12
第2章大功率半导体器件14
2.1简介14
2.2大功率开关器件15
2.2.1二极管15
2.2.2普通晶闸管15
2.2.3门极关断晶闸管17
2.2.4门极换向晶闸管18
2.2.5绝缘栅双极型晶体管21
2.2.6其他开关器件22
2.3器件的串联运行22
2.3.1电压不均衡的主要原因23
2.3.2GCT的电压均衡23
2.3.3IGBT的电压均衡25
2.4小结25
参考文献26
第2部分多脉波二极管和SCR整流器
第3章多脉波二极管整流器29
3.1简介29
3.26脉波二极管整流器30
3.2.1简介30
3.2.2容性负载31
3.2.3THD和PF的定义34
3.2.4标幺值系统35
3.2.56脉波二极管整流器的THD和PF35
3.3串联型多脉波二极管整流器37
3.3.112脉波串联型二极管整流器37
3.3.218脉波串联型二极管整流器41
3.3.324脉波串联型二极管整流器43
3.4分离型多脉波二极管整流器44
3.4.112脉波分离型二极管整流器44
3.4.218和24脉波分离型二极管整流器47
3.5小结49
参考文献50
第4章多脉波晶闸管整流器51
4.1简介51
4.26脉波晶闸管整流器51
4.2.1理想6脉波晶闸管整流器52
4.2.2网侧电感的影响54
4.2.3THD和PF57
4.312脉波晶闸管整流器58
4.3.1理想12脉波晶闸管整流器59
4.3.2线路电感和变压器漏电感的影响61
4.3.3THD和PF62
4.418和24脉波晶闸管整流器62
4.5小结64
参考文献64
第5章移相变压器65
5.1简介65
5.2一次侧绕组为接二次侧绕组为延边三角形的移相变压器65
5.2.1/型移相变压器65
5.2.2/型移相变压器66
5.3一次侧绕组为三角形二次侧绕组为延边三角形的移相变压器68
5.4谐波电流的消除69
5.4.1谐波电流的相移69
5.4.2谐波的消除71
5.5小结72
第3部分多电平电压源型逆变器
第6章两电平电压源型逆变器75
6.1简介75
6.2正弦波脉宽调制75
6.2.1调制方法75
6.2.2谐波成分77
6.2.3过调制78
6.2.4三次谐波注入PWM78
6.3空间矢量调制79
6.3.1开关状态80
6.3.2空间矢量80
6.3.3作用时间计算82
6.3.4调制因数84
6.3.5开关顺序84
6.3.6频谱分析86
6.3.7偶次谐波的消除88
6.3.8不连续空间矢量调制91
6.4小结93
参考文献93
第7章串联H桥多电平逆变器95
7.1简介95
7.2H桥逆变器95
7.2.1双极性调制法95
7.2.2单极性调制法97
7.3多电平逆变器拓扑结构99
7.3.1采用相同电压直流电源的串联H桥逆变器99
7.3.2采用不同电压直流电源的串联H桥逆变器101
7.4基于载波的PWM控制法102
7.4.1移相载波调制法102
7.4.2移幅载波调制法106
7.4.3移相和移幅载波PWM方法的比较110
7.5阶梯波调制方法112
7.6小结114
参考文献114
第8章二极管箝位式多电平逆变器116
8.1简介116
8.2三电平逆变器116
8.2.1拓扑结构116
8.2.2开关状态117
8.2.3换相118
8.3空间矢量调制120
8.3.1静止空间矢量121
8.3.2作用时间计算122
8.3.3V�遰ef位置与保持时间之间的关系124
8.3.4开关顺序设计125
8.3.5逆变器输出波形和谐波含量128
8.3.6消除偶次谐波130
8.4中点电压控制133
8.4.1中点电压偏移的原因133
8.4.2电动和再生运行模式的影响134
8.4.3中点电压的反馈控制134
8.5其他空间矢量调制算法135
8.5.1非连续空间矢量调制136
8.5.2基于两电平算法的SVM136
8.6多电平二极管箝位式逆变器136
8.6.1四、五电平二极管箝位式逆变器136
8.6.2基于载波的PWM138
8.7小结141
附录8A采用偶次谐波消除方法的三电平NPC逆变器7段式开关顺序141
参考文献143
第9章其他多电平电压源型逆变器145
9.1简介145
9.2NPC/H桥逆变器145
9.2.1拓扑结构145
9.2.2调制方法146
9.2.3波形和谐波分量147
9.3多电平电容悬浮式逆变器148
9.3.1拓扑结构148
9.3.2调制方法149
9.4小结150
参考文献151
第4部分PWM电流源型变频器
第10章PWM电流源型逆变器155
10.1简介155
10.2PWM电流源型逆变器155
10.2.1梯形波脉宽调制157
10.2.2特定谐波消除法160
10.3空间矢量调制163
10.3.1开关状态163
10.3.2空间矢量164
10.3.3作用时间计算166
10.3.4开关顺序167
10.3.5电流谐波分量170
10.3.6SVM、TPWM和SHE的比较171
10.4并联电流源型逆变器171
10.4.1逆变器拓扑结构171
10.4.2并联逆变器空间矢量调制172
10.4.3中矢量对直流电流的影响173
10.4.4直流电流的平衡控制175
10.4.5试验验证175
10.5负载换相逆变器177
10.6小结177
附录10A图10��1中的逆变器采用SHE方法时计算的开关角178
参考文献179
第11章PWM电流源型整流器180
11.1简介180
11.2单桥电流源型整流器180
11.2.1简介180
11.2.2特定谐波消除法181
11.2.3整流器直流输出电压185
11.2.4空间矢量调制法186
11.3双桥电流源型整流器186
11.3.1简介186
11.3.2PWM方法187
11.3.3谐波成分189
11.4功率因数控制189
11.4.1简介189
11.4.2α和ma的同时控制190
11.4.3功率因数曲线192
11.5有源阻尼控制194
11.5.1简介194
11.5.2串联和并联谐振模式194
11.5.3有源阻尼原理195
11.5.4LC谐振抑制196
11.5.5谐波抑制198
11.5.6有源阻尼电阻的选择200
11.6小结201
附录11A电流源型整流器的开关角202
参考文献203
第5部分大功率交流传动系统
第12章电压源型逆变器传动系统207
12.1简介207
12.2基于两电平VSI的中压传动系统207
12.2.1功率变换模块207
12.2.2带不控前端的两电平VSI传动系统208
12.3中点箝位式逆变器传动系统210
12.3.1基于GCT的NPC逆变器传动系统210
12.3.2基于IGBT的NPC逆变器传动系统213
12.4多电平串联H桥逆变器传动系统214
12.4.1适用于2300V/4160V电动机的CHB逆变器传动系统214
12.4.2适用于6.6kV/11.8kV电动机的CHB逆变器传动系统216
12.5NPC/H桥逆变器传动系统217
12.6小结218
参考文献218
第13章电流源型变频器传动系统220
13.1简介220
13.2采用PWM整流器的电流源型变频器传动系统220
13.2.1采用单桥PWM整流器的电流源型变频器传动系统220
13.2.2专用电动机的电流源型变频器传动系统224
13.2.3采用双桥PWM整流器的电流源型变频器传动系统225
13.3适用于常规变流电动机的无变压器电流源型逆变器传动系统225
13.3.1新型电流源型变频器的拓扑结构226
13.3.2用于抑制共模电压的一体化直流电抗器226
13.4采用多脉波SCR整流器的电流源型变频器传动系统229
13.4.1采用18脉波SCR整流器的电流源型变频器传动系统229
13.4.2采用6脉波SCR整流器的低成本电流源型变频器传动系统229
13.5同步电动机的负载换相逆变器传动系统230
13.5.112脉波输入和6脉波输出的LCI传动系统230
13.5.212脉波输入和12脉波输出的LCI传动系统231
13.6小结231
参考文献232
第14章高性能传动控制方法233
14.1简介233
14.2坐标变换233
14.2.1abc/dq坐标变换233
14.2.23/2静止变换235
14.3异步电动机数学模型236
14.3.1空间矢量电动机模型236
14.3.2dq电动机模型238
14.3.3异步电动机暂态特性238
14.4磁场定向控制原理242
14.4.1磁场定向242
14.4.2FOC的控制框图243
14.5直接磁场定向控制244
14.5.1系统框图244
14.5.2转子磁链计算245
14.5.3电流控制VSI变频器的直接FOC247
14.6间接磁场定向控制250
14.7电流源型逆变器传动系统的磁场定向控制252
14.8直接转矩控制254
14.8.1直接转矩控制的原理255
14.8.2开关逻辑255
14.8.3定子磁链和转矩计算259
14.8.4DTC传动系统仿真259
14.8.5DTC和FOC方法之间的比较261
14.9小结261
参考文献262
附录263
附录A缩略语中英文对照表263
附录B教学作业265
B.1简介265
B.2教学作业示例——教学作业 3：两电平VSI的空间矢量调制方法265
B.3教学作业答案267

前言/序言

　　前言随着电力半导体器件（尤其是IGBT和GCT）的迅速发展，中压大功率传动设备在石油化工、矿山开采、轧钢和冶金、运输等工业领域得到了越来越广泛的应用，节约了电能、增加了产量并提高了产品质量。
　　虽然专家、学者和技术人员对于中压（2��3～13��8kV）大功率（1～100MW）传动系统的研究工作一直在持续进行，但介绍相关最新前沿技术的书籍却并不多见。本书则致力于此，完整而又详尽地介绍了各种大功率变频器的拓扑结构及原理、传动系统的组成，以及与此相关的各种先进控制策略。
　　本书包括了中压大功率传动领域最新发展的前沿技术，不但通过表格、框图、波形图等给出了系统设计参考，而且还介绍了实际产品设计中的各种关键技术难点及其解决方法。对于所有重要的概念、控制原理和核心控制技术，书中都给出了计算机仿真结果和实际装置的实验波形。本书可作为学术研究、产品开发等专业技术人员或产品工程师的参考。书中同时详细地给出了多个专题的相关技术背景，也非常适合于作为电力电子及交流传动专业的研究生教材。
　　本书可分为5个部分，共14章。
　　第1部分为绪论，总体介绍了中压大功率变频器的市场分析、系统结构、工业典型应用、变频器拓扑结构以及各种电力半导体器件等。其中，重点介绍了中压变频器具有普遍意义的关键技术要求和难点（对于低压传动系统来说，从不同角度分析时，关键技术和难点也往往不同）。
　　第2部分介绍多脉波二极管及晶闸管整流器，内容包括中压变频器中为降低网侧线电流畸变常用到的12、18和24脉波整流器的拓扑结构；同时也介绍了多脉波整流器中经常用到的移相变压器，并详细讨论了基于移相变压器消除主要谐波的原理。
　　第3部分介绍了多电平电压源型逆变器，详细分析并比较了各种多电平电压源型逆变器的拓扑结构，包括典型的中点箝位多电平结构和串联H桥多电平结构；在此基础上，介绍了基于载波和基于空间矢量的两大类多电平脉宽调制方法。
　　第4部分讨论了中压逆变器中的PWM电流源型逆变器和整流器，分析了梯形波调制方法、特定谐波消除方法以及电流源型变频器的空间矢量调制方法。在这部分中，同时分析了功率因数为1的控制方法，以及有源阻尼控制方法。
　　最后，第5部分介绍了大功率交流传动系统，给出了国际上各大公司开发的电压源型和电流源型变频器，并比较了各种结构的特点和优缺点；此后，介绍了磁场定向矢量控制和直接转矩控制两种最为广泛使用的控制方法。书中力争用最简单和最容易理解的方式把两种控制方法介绍得清晰、简洁。
　　附录为在研究生课程教学中使用的12个基于计算机仿真的教学作业，各教学作业的详细分析和答案可参见指导手册（另单独发行）。指导手册中同时有各章节的讲解演示文稿（基于幻灯片形式）。
　　最后，谨向Rockwell Automation（加拿大）公司的同事们表示最诚挚的感谢，尤其是Steve Rizzo、Navid Zargari和Frank DeWinter，感谢和他们进行的无数次技术探讨，感谢12年来一起在研究开发中压传动系统中愉快而又富有成效的合作！同时真诚感谢我的恩师，Shashi Dowan博士和Gordon Slemon博士，感谢两位导师在我于Toronto大学攻读硕士和博士学位期间的谆谆教导，是他们使得我在大功率传动系统的研究方面受益匪浅！感谢RPM工程公司的Robert Hanna博士，感谢他对原稿的仔细审读，并提出了很多宝贵的意见！同时，感谢所有在Ryerson大学电气传动应用及研究实验室（LEDAR）先后工作过的博士后、博士和硕士生们，感谢他们在准备本书书稿中给予的协助和支持！感谢ASI Robicon、ABB、Siemens AG及Rockwell Automation公司，感谢他们为书中提供了中压传动系统的照片。最后，非常感谢我的夫人Janice及我的女儿Linda，感谢她们在完成此书期间给予的关心、理解、支持，以及在写作上带来的灵感。
　　Bin Wu于加拿大多伦多



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