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赛尔吉奥·阿尔贝托·冈萨雷斯 著

图书标签:

• 多电平变换器
• 电力电子
• 工业应用
• 可再生能源
• 谐波控制
• 电压质量
• 电力系统
• 变换器拓扑
• 控制策略
• 高功率转换

店铺： 天泰尚图书专营店

出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111538745

商品编码：29640984982

包装：平装

出版时间：2016-07-12

基本信息

书名：多电平变换器在工业中的应用

定价：59.9元

作者：赛尔吉奥·阿尔贝托·冈萨雷斯

出版社：机械工业出版社

出版日期：2016-07-12

ISBN：9787111538745

字数：

页码：180

版次：1

装帧：平装

开本：16

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书所涉及的内容是电力电子学方面的重要应用。本书详细介绍了几种典型多电平变换器，以及它们的特性、工作原理、改进方法、控制和调制策略等。书中先介绍了简单的变换器和相应的电路结构，然后在此基础上不断拓展出了新的功能和性能更完善的变换器，并比较了它们的优缺点和适用场合，如二极管钳位多电平变换器、飞跨电容多电平变换器等。后针对书中出现过的变换器，介绍了两种实际环境中的案例研究与应用。

目录

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作者介绍

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文摘

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序言

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多电平变换器：赋能现代工业的强大动力 在当今飞速发展的工业领域，能源效率、电力质量以及系统可靠性已成为衡量企业竞争力的核心指标。随着技术的不断进步，传统的电力变换设备正面临着前所未有的挑战，而多电平变换器（Multilevel Converter, MLC）以其独特的优势，正以前所未有的速度渗透到工业生产的各个环节，成为推动现代工业迈向更高水平的关键技术。 一、多电平变换器的核心原理与优势 多电平变换器的核心在于能够生成具有多个电压等级的输出波形。与传统的两电平变换器（仅能输出两个电压等级）相比，多电平变换器通过串联多个功率器件和电容（或电感），可以输出更多、更平滑的电压阶梯。这种“多步走”的策略带来了诸多显著优势，使其在工业应用中脱颖而出。 首先，输出电压质量显著提升。多电平变换器能够生成更接近正弦波的输出电压波形，有效抑制高次谐波的产生。高次谐波不仅会降低电力设备的效率，还会缩短其使用寿命，甚至引发过热、振动等问题。通过减少谐波含量，多电平变换器能够显著改善电网质量，降低设备的损耗，提高整体系统的运行效率。 其次，器件的电压应力降低。在输出相同电压等级的情况下，多电平变换器通过将总电压分配给多个串联的功率器件，降低了每个器件所承受的电压压力。这使得可以选用额定电压较低、成本更低的功率器件，同时提高了器件的可靠性和寿命。这种“分担压力”的策略，是多电平变换器能够实现高压大功率输出的关键。 第三，电磁干扰（EMI）减小。较低的电压变化率（dV/dt）是多电平变换器在减小电磁干扰方面的重要贡献。快速的电压变化会产生高频电磁辐射，干扰周围的电子设备。多电平变换器平滑的输出波形有效降低了这种干扰，使得其在对电磁兼容性要求极高的工业环境中更具优势。 第四，更高的效率。虽然多电平变换器结构相对复杂，但其显著降低的谐波损耗和开关损耗，在整体上能够实现更高的系统效率，尤其是在大功率应用场景下，其节能效益尤为突出。 二、经典多电平变换器拓扑及其工业应用 多电平变换器的发展催生了多种经典的拓扑结构，每种结构都有其特定的优势和适用场景。 三电平二极管箝位（Diode-Clamped）变换器：这是最早也是最广泛应用的多电平拓扑之一。其结构相对简单，通过引入箝位二极管，将直流侧电容电压箝位在中间电平。其优点在于输出电压波形质量好，开关损耗较低。在高压直流输电（HVDC）、风力发电、工业电机驱动等领域有着广泛的应用。例如，在风力发电系统中，三电平变换器能够将风力发电机产生的非正弦电压平滑地转换为高质量的交流电，并入电网，大大提高了风电的利用率和电网的稳定性。 级联H桥（Cascaded H-bridge）变换器：该拓扑由多个独立的单相H桥变换器串联而成，每个H桥单元通过独立的直流源供电。其最大的优势在于模块化设计，易于扩展，可以实现任意数量的电压等级。此外，其输出电压的控制灵活性高，且故障时部分模块失效率不影响整体系统的运行。级联H桥变换器在柔性交流输电系统（FACTS）、电动汽车充电站、大功率UPS等领域表现出色。在FACTS中，它能够快速、准确地调节输电线路的电压和无功功率，提高电网的传输能力和稳定性。 飞跨电容（Flying Capacitor）变换器：这种拓扑利用飞跨电容来提供中间电平，通过对电容的充放电实现多电平输出。其特点是输出电压纹波小，控制简单，但对电容的耐压和储能能力有一定要求。飞跨电容变换器在低压高频应用，如通信电源、伺服驱动等领域有其独到之处。 近年来，为了进一步提升性能和降低成本，研究人员不断探索和优化新的多电平拓扑，例如混合多电平变换器，它们巧妙地结合了不同拓扑的优点，以应对更复杂的工业挑战。 三、多电平变换器在工业关键领域的应用深度解析 多电平变换器的优越性能使其成为众多工业领域的“主力军”。 新能源发电领域（风电、光伏）：风力发电机和光伏阵列输出的电压通常是变化的、非正弦的，且容量巨大。多电平变换器能够高效地将这些不稳定的直流或低频交流电转换为符合电网要求的标准交流电，并能有效抑制谐波，提高发电效率。在大型风电场中，采用多电平变换器可以将多个风力发电机组的输出统一升压并入电网，减少了变压器的数量和损耗，提高了整体发电效率。对于光伏发电，多电平变换器也扮演着至关重要的角色，它能够最大化地从太阳能电池板提取能量，并将其高效地转化为可用的电能。 工业电机驱动：现代工业生产中，电机是核心动力源。变频调速是提高电机效率、优化生产过程的关键技术。多电平变换器能够提供更平滑的电压和电流波形，有效降低电机绕组的绝缘应力，减少电机损耗，提高运行寿命。在冶金、化工、造纸等行业的重型电机驱动中，多电平变频器已成为标配，它们能够实现更精确的转速控制，适应各种复杂的负载变化，从而提高生产效率和产品质量。 电力传输与分配（HVDC, FACTS）：长距离直流输电（HVDC）需要将交流电转换为直流电再转换回交流电，而多电平变换器是实现这两步高效变换的关键。其高电压等级和低谐波的特性，使得直流输电在传输损耗上远低于交流输电，能够经济高效地实现远距离、大容量的电力传输。在交流输电系统中，多电平变换器衍生的柔性交流输电系统（FACTS）设备，如静止无功补偿器（SVC）和统一潮流控制器（UPFC），能够实时、灵活地调节电网的电压、无功功率和潮流，提高电网的稳定性和输电能力，解决电网拥塞问题。 轨道交通：高速列车、地铁等轨道交通系统对供电质量和效率要求极高。多电平变换器能够提供稳定、高效的电力输出，用于牵引系统的动力驱动，同时也能实现能量的回馈，将制动时产生的能量回馈给电网，提高能源利用效率。在城市轨道交通中，多电平变换器的应用有效降低了列车的运行噪音和电磁干扰，改善了乘客的乘坐体验。 工业电源与不间断电源（UPS）：在对电力质量要求严苛的工业领域，如半导体制造、精密仪器等，多电平变换器能够提供极低失真的交流输出，保证设备的稳定运行。在大中型UPS系统中，多电平变换器能够提供高质量的备用电源，在市电中断时，能够无缝切换，保护关键负载免受电力中断的影响，避免数据丢失或生产停顿。 四、面向未来的发展趋势 多电平变换器技术仍在不断发展和创新。未来的发展方向主要集中在： 智能化与集成化：通过集成更多的控制和通信功能，实现更高级别的智能化控制，如自适应控制、故障诊断与预测等。同时，将多电平变换器与功率模块、控制单元进行高度集成，减小体积，提高功率密度。 新型半导体器件的应用：随着碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料的成熟，其在高频、高温、高压下的优异性能将为多电平变换器带来革命性的提升，实现更高的开关频率，更低的开关损耗，以及更小的设备尺寸。 面向特定应用的优化设计：针对不同工业场景的特殊需求，如极端环境下的可靠性、极低谐波要求、成本效益最大化等，进行定制化的拓扑结构和控制策略设计。 与储能系统的融合：将多电平变换器与电池储能、超级电容器等储能技术深度融合，构建更灵活、更可靠的能源系统，实现电能的优化调度和高效利用。 结语 多电平变换器以其卓越的性能，正在深刻地改变着工业电力电子的面貌。从新能源的接入，到工业生产的提效，再到电力系统的稳定运行，多电平变换器无处不在，成为赋能现代工业不可或缺的强大动力。随着技术的不断成熟和创新，我们有理由相信，多电平变换器将在未来的工业发展中扮演更加举足轻重的角色，引领我们走向一个更清洁、更高效、更可持续的能源未来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的结构编排简直是教科书级别的典范，逻辑链条极其严密，层层递进，让人读起来非常顺畅，几乎没有跳跃感。它并没有将“工业应用”局限于简单的并网逆变器，而是拓宽到了更精细的领域。例如，在讨论直流/直流变换器在电池管理系统（BMS）中的应用时，书中详尽对比了不同架构如何影响电池的充放电均衡性，以及温度控制策略如何融入到拓扑设计之中。这部分内容对于新能源汽车和储能系统领域的工程师来说，具有极高的参考价值。我个人非常喜欢作者在讨论控制系统稳定性时的处理方式。他没有采用那种晦涩的李雅普诺夫稳定性分析，而是聚焦于相平面分析和环路增益的伯德图，这些工具更直观地展示了系统在不同负载条件下的动态响应特性。每当涉及到关键的参数调整，作者都会清晰地标注出对应的工程意义——这个电阻的微小变化，可能导致系统在启动瞬间的过冲增加30%。这种量化分析，让理论知识立刻具备了可操作性，是这本书最宝贵的财富之一。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简洁有力，黑底白字，透露出一种专业和严谨的气息。拿到手里，纸张的质感也相当不错，让人有种翻阅的欲望。我原本以为这是一本偏向理论的教科书，但深入阅读后才发现，作者在开篇就以一种非常贴近实际的口吻，切入到现代工业对电力电子设备的高要求上来。特别是对于那些追求效率、降低能耗的制造企业来说，这本书简直是及时雨。书中对几种主流多电平拓扑结构的历史演变梳理得非常清晰，没有那种生硬的公式堆砌，而是通过大量的应用案例来阐释其原理的优越性。比如，在描述级联H桥（CHB）的构建时，作者没有止步于电路图，而是详细探讨了模块化设计如何降低维护成本，以及如何应对单模块故障时的冗余策略。这对于我这种常年与生产线打交道的工程师来说，比单纯的数学推导更有指导意义。更让我印象深刻的是，书中还穿插了一些关于新材料和新型功率器件，如SiC和GaN，在多电平应用中的潜力分析，这无疑为我们未来的技术路线选择提供了前瞻性的参考。总的来说，这本书的叙事节奏把握得很好，既有深厚的理论基础支撑，又不乏对工程实践的细致关照，是一本难得的工业应用参考书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的视角非常独特，它没有将多电平技术视为孤立的技术点，而是将其置于整个“智能制造”的大背景下进行考察。特别是其中关于电能质量（PQ）合规性的章节，简直是为我们这些需要应对国际标准认证的厂商量身定做的。作者详细解读了IEC 61000系列标准对谐波电流和电压闪烁的要求，并系统地展示了如何通过优化多电平的开关序列，来实现低于特定阈值的电磁兼容性（EMC）。这一点在书的其他部分也贯穿始终：无论是高压变频器中的串联技术，还是中压电机驱动中的点对点控制，设计决策总是围绕着如何平衡成本、效率和环境友好性。此外，书中还探讨了数字化与信息化的结合，比如如何利用传感器融合技术来实时获取系统健康状态数据，并反馈给上层的制造执行系统（MES）。这种跨学科的视野，让这本书的价值远远超出了传统的电力电子范畴，它更像是一份关于“未来工厂能源架构”的蓝图。

评分☆☆☆☆☆

说实话，我一开始是抱着怀疑的态度来阅读这本著作的，因为市面上关于电力电子的书籍汗牛充牛，能真正做到“深入浅出”的太少了。然而，这本书给我的感觉完全不同，它更像是一位经验丰富的前辈，带着你一步步走过复杂的技术迷宫。作者在讲解脉冲宽度调制（PWM）策略时，那份耐心和细致令人赞叹。他没有直接抛出复杂的数学模型，而是首先构建了一个宏观的物理场景——比如一个对谐波抑制要求极高的精密机床的驱动系统。随后，才逐步引入了多重谐振技术（MRT）和空间矢量调制（SVM）在抑制特定次谐波上的优势对比。这种以问题为导向的教学方法，极大地降低了读者的学习门槛。我特别欣赏的是，书中用很大篇幅分析了实际运行中，由于非理想因素（如开关延迟、母线电压波动）导致的性能漂移问题，并给出了相应的实时补偿算法思路。这体现了作者对“工程实践中总有意外”这一现实的深刻理解。读完这些章节，我感觉自己对如何设计一个既高效又鲁棒的多电平驱动系统，有了更踏实、更全面的认识，不再是纸上谈兵了。

评分☆☆☆☆☆

阅读完此书，我最大的感受是作者在细节处理上的极致追求，这让整本书的学术深度和工程实用性达到了一个微妙的平衡点。例如，在讨论变压器在隔离型多电平系统中的设计优化时，作者并未满足于传统的铁心结构，而是深入研究了非晶合金和铁氧体材料在高频工作下的损耗特性及其对整体效率的影响。对于驱动电路的布局，书中也给出了非常细致的指导，比如如何通过优化PCB走线长度和增加去耦电容的布局密度，来有效抑制高频振荡噪声。这种对“毫米级”细节的关注，正是决定一个产品能否从“能用”走向“好用”的关键。最后，本书的附录部分也做得非常贴心，提供了几个核心控制算法的伪代码示例，虽然不是具体的C/C++代码，但足以让具备嵌入式基础的读者迅速搭建起原型系统。这本书不是那种读一遍就束之高阁的工具书，它更像是一部需要反复研读、并能随着工业技术发展不断带来新感悟的案头宝典。