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第1部分 绪论3

第1章 概述3

1.1简介3

1.2技术难点4

1.2.1网侧的技术要求4

1.2.2电动机侧的技术要求5

1.2.3开关器件的限制5

1.2.4对传动系统的整体要求6

1.3变流器拓扑结构6

1.4中压传动工业产品7

1.5小结10

附录1A中压传动系统的应用概况10

参考文献10

第2章 大功率半导体器件11

2.1简介11

2.2大功率开关器件12

2.2.1二极管12

2.2.2普通晶闸管12

2.2.3门极关断晶闸管13

2.2.4门极换流晶闸管14

2.2.5绝缘栅双极型晶体管16

2.2.6其他开关器件17

2.3功率器件的串联17

2.3.1电压不均衡的主要原因17

2.3.2 GCT的电压均衡17

2.3.3 IGBT的电压均衡18

2.4小结19

参考文献19

第2部分 多脉波二极管和晶闸管整流器23

第3章 多脉波二极管整流器23

3.1简介23

3.2 6脉波二极管整流器23

3.2.1简介23

3.2.2容性负载24

3.2.3 THD和PF的定义27

3.2.4标幺值系统27

3.2.5 6脉波二极管整流器的THD和PF28

3.3串联型多脉波二极管整流器29

3.3.1 12脉波串联型二极管整流器29

3.3.2 18脉波串联型二极管整流器32

3.3.3 24脉波串联型二极管整流器33

3.4分离型多脉波二极管整流器34

3.4.1 12脉波分离型二极管整流器34

3.4.2 18和24脉波分离型二极管整流器36

3.5小结38

参考文献38

第4章 多脉波晶闸管整流器39

4.1简介39

4.2 6脉波晶闸管整流器39

4.2.1理想6脉波晶闸管整流器39

4.2.2网侧电感的影响41

4.2.3 THD和PF43

4.3 12脉波晶闸管整流器43

4.3.1理想12脉波晶闸管整流器44

4.3.2线路电感和变压器漏电感的影响45

4.3.3 THD和PF46

4.4 18和24脉波晶闸管整流器46

4.5小结48

参考文献48

第5章 移相变压器49

5.1简介49

5.2 Y/Z移相变压器49

5.2.1 Y/Z-1型移相变压器49

5.2.2 Y/Z-2型移相变压器50

5.3 △/Z移相变压器51

5.4谐波电流的消除52

5.4.1谐波电流的相移52

5.4.2谐波的消除53

5.5小结54

第3部分 多电平电压源型逆变器57

第6章 两电平电压源型逆变器57

6.1简介57

6.2正弦波脉宽调制57

6.2.1调制方法57

6.2.2谐波成分58

6.2.3过调制59

6.2.4三次谐波注入PWM59

6.3空间矢量调制60

6.3.1开关状态60

6.3.2空间矢量61

6.3.3作用时间计算62

6.3.4调制因数63

6.3.5开关顺序63

6.3.6频谱分析65

6.3.7偶次谐波的消除66

6.3.8不连续空间矢量调制68

6.4小结70

参考文献70

第7章 串联H桥多电平逆变器71

7.1简介71

7.2 H桥逆变器71

7.2.1双极性调制法71

7.2.2单极性调制法73

7.3多电平逆变器拓扑结构74

7.3.1采用相同电压直流电源的串联H桥逆变器74

7.3.2采用不同电压直流电源的串联H桥逆变器75

7.4基于载波的PWM76

7.4.1移相载波调制法76

7.4.2移幅载波调制法78

7.4.3移相和移幅载波PWM方法的比较81

7.5阶梯波调制方法82

7.6小结83

参考文献84

第8章 二极管箝位式多电平逆变器85

8.1简介85

8.2三电平NPC逆变器85

8.2.1拓扑结构85

8.2.2开关状态85

8.2.3换流86

8.3空间矢量调制88

8.3.1静止空间矢量88

8.3.2作用时间计算89

8.3.3 ？Vref位置与保持时间之间的关系91

8.3.4开关顺序设计91

8.3.5逆变器输出波形和谐波含量94

8.3.6消除偶次谐波96

8.4中点电压控制97

8.4.1中点电压偏移的原因98

8.4.2电动和再生运行模式的影响98

8.4.3中点电压的反馈控制98

8.5基于载波的PWM方法99

8.6其他空间矢量调制算法100

8.6.1非连续空间矢量调制101

8.6.2基于两电平算法的SVM101

8.7多电平二极管箝位式逆变器101

8.7.1四、五电平二极管箝位式逆变器101

8.7.2基于载波的PWM103

8.8 NPC/H桥逆变器105

8.8.1逆变器拓扑结构105

8.8.2调制方法105

8.8.3波形及谐波含量107

8.9小结108

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108

参考文献110

第9章 其他多电平电压源型逆变器111

9.1简介111

9.2 FC多电平逆变器111

9.2.1逆变器结构111

9.2.2调制方法112

9.3 ANPC逆变器113

9.3.1逆变器结构113

9.3.2开关状态113

9.3.3开关功率损耗分配的原理114

9.3.4调制方法和器件功耗分布115

9.3.5五电平ANPC逆变器116

9.4 NPP逆变器117

9.4.1逆变器结构117

9.4.2开关状态117

9.4.3调制方法和中点电压控制118

9.5 NNPC逆变器119

9.5.1逆变器结构119

9.5.2开关状态119

9.5.3悬浮电容电压控制的原理120

9.5.4带电容电压均压控制的调制方法121

9.5.5更高电平NNPC逆变器123

9.6 MMC逆变器124

9.6.1逆变器结构124

9.6.2开关状态和桥臂电压125

9.6.3调制方法126

9.6.4 MMC的悬浮电容电压均压控制127

9.6.5电容电压纹波和环流电流130

9.7小结130

参考文献131

第4部分 PWM电流源型变频器135

第10章 PWM电流源型逆变器135

10.1简介135

10.2 PWM电流源型逆变器135

10.2.1梯形波脉宽调制136

10.2.2特定谐波消除法138

10.3空间矢量调制141

10.3.1开关状态141

10.3.2空间矢量141

10.3.3作用时间计算142

10.3.4开关顺序143

10.3.5电流谐波分量146

10.3.6 SVM、TPWM和SHE的比较146

10.4并联电流源型逆变器146

10.4.1逆变器拓扑结构146

10.4.2并联逆变器空间矢量调制147

10.4.3中矢量对直流电流的影响148

10.4.4直流电流的平衡控制149

10.4.5试验验证150

10.5负载换相逆变器151

10.6小结152

附录10A图10-1中的逆变器采用SHE方法时计算的开关角152

参考文献153

第11章 PWM电流源型整流器154

11.1简介154

11.2单桥电流源型整流器154

11.2.1简介154

11.2.2特定谐波消除法155

11.2.3整流器直流输出电压157

11.2.4空间矢量调制法158

11.3双桥电流源型整流器158

11.3.1简介158

11.3.2 PWM方法159

11.3.3谐波成分160

11.4功率因数控制160

11.4.1简介160

11.4.2 α和ma的同时控制161

11.4.3功率因数曲线162

11.5有源阻尼控制163

11.5.1简介163

11.5.2串联和并联谐振模式163

11.5.3有源阻尼原理164

11.5.4 LC谐振抑制165

11.5.5谐波抑制166

11.5.6有源阻尼电阻的选择168

11.6小结168

附录11A电流源型整流器的开关角169

参考文献170

第5部分 大功率交流传动系统173

第12章 电压源型逆变器传动系统173

12.1简介173

12.2基于两电平VS1的中压传动系统173

12.2.1功率变换模块173

12.2.2带无源前端的两电平VSI传动系统174

12.3二极管箝位式逆变器传动系统175

12.3.1基于GCT的NPC逆变器传动系统175

12.3.2基于IGBT的NPC逆变器传动系统177

12.4多电平串联H桥逆变器传动系统178

12.4.1适用于2300V/4160V电动机的CHB逆变器传动系统178

12.4.2适用于6.6kV/11.8kV电动机的CHB逆变器传动系统180

12.5 NPC/H桥逆变器传动系统180

12.6基于ANPC拓扑结构的传动系统181

12.6.1三电平ANPC逆变器传动系统181

12.6.2五电平ANPC逆变器传动系统182

12.7基于MMC拓扑结构的传动系统182

12.8 10kV电压等级的传动系统183

12.9小结184

参考文献184

第13章 电流源型变频器传动系统185

13.1简介185

13.2采用PWM整流器的电流源型变频器传动系统185

13.2.1采用单桥PWM整流器的电流源型变频器传动系统185

13.2.2专用电动机的电流源型逆变器传动系统188

13.2.3采用双桥PWM整流器的电流源型逆变器传动系统188

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189

13.4采用多脉波SCR整流器的电流源型逆变器传动系统189

13.4.1采用18脉波SCR整流器的电流源型逆变器传动系统189

13.4.2采用6脉波SCR整流器的低成本电流源型逆变器传动系统190

13.5同步电动机的负载换相逆变器传动系统190

13.5.1 12脉波输入和6脉波输出的LCI传动系统190

13.5.2 12脉波输入和12脉波输出的LCI传动系统191

13.6小结192

参考文献192

第14章 高性能传动控制方法193

14.1简介193

14.2坐标变换193

14.2.1 abc/dq坐标变换193

14.2.2 abc/αβ变换195

14.3异步电动机数学模型195

14.3.1空间矢量电动机模型195

14.3.2dq电动机模型196

14.3.3异步电动机暂态特性197

14.4磁场定向控制原理199

14.4.1磁场定向199

14.4.2 FOC的控制框图200

14.5直接磁场定向控制201

14.5.1系统框图201

14.5.2转子磁链计算202

14.6间接磁场定向控制204

14.7电流源型逆变器传动系统的磁场定向控制205

14.8直接转矩控制207

14.8.1直接转矩控制的原理207

14.8.2开关逻辑208

14.8.3定子磁链和转矩计算211

14.8.4 DTC传动系统仿真211

14.8.5 DTC和FOC方法之间的比较212

14.9小结213

参考文献213

第15章 同步电动机传动系统控制214

15.1简介214

15.2同步电动机的建模214

15.2.1电动机结构214

15.2.2同步电动机的动态模型215

15.2.3稳态等效电路217

15.3基于VSC驱动的同步电动机传动系统ZDC控制218

15.3.1简介218

15.3.2 ZDC控制原理218

15.3.3 VSC同步电动机传动系统ZDC控制方法的实现219

15.3.4暂态过程分析220

15.4 VSC同步电动机传动系统的MTPA控制222

15.4.1简介222

15.4.2 MTPA控制原理222

15.4.3 VSC同步电动机传动系统MTPA控制方法的实现224

15.4.4暂态分析224

15.5 VSC同步电动机传动系统的DTC225

15.5.1简介225

15.5.2 DTC原理225

15.5.3 VSC同步电动机传动系统DTC的实现228

15.5.4暂态分析229

15.6 CSC同步电动机传动系统的控制230

15.6.1简介230

15.6.2 CSC同步电动机传动系统的ZDC控制231

15.6.3 CSC同步电动机传动系统的ZDC控制暂态过程分析233

15.6.4 CSC同步电动机传动系统的MTPA控制234

15.7小结235

附录15A附件236

参考文献236

第6部分 中压传动系统专题239

第16章 用于中压传动的矩阵变换器239

16.1简介239

16.2经典矩阵变换器239

16.2.1经典矩阵变换器结构239

16.2.2开关约束条件与波形合成240

16.3三模块矩阵变换器242

16.3.1三相转单相（3×1）MC模块242

16.3.2三模块MC拓扑结构243

16.3.3输入和输出波形244

16.4多模块级联矩阵变换器245

16.4.1九模块CMC拓扑结构246

16.4.2输入输出波形246

16.5用于中压传动的多模块CMC248

16.6小结250

参考文献250

第17章 无变压器的中压传动系统251

17.1简介251

17.2共模电压及常规解决方案251

17.2.1共模电压的定义251

17.2.2共模电压波形252

17.2.3传统解决方案253

17.3多电平电压源型变频器的共模电压抑制254

17.3.1降低共模电压的空间矢量调制方法254

17.3.2共模电压抑制方案1255

17.3.3共模电压抑制方案2257

17.3.4 N电平VSI共模电压抑制方法258

17.4无隔离变压器的多电平VSC传动系统261

17.4.1多电平VSC通过开关切换规则消除共模电压261

17.4.2采用共模滤波器抑制共模电压261

17.4.3共模滤波器和RCM1/RCM2组合方案264

17.5基于CSI的无变压器传动系统265

17.5.1传统解决方法265

17.5.2无变压器CSI传动系统的集成直流电抗器266

17.6小结268

参考文献268

附录269

附录A 缩略语中英文对照表269

附录B 教学作业271

B.1简介271

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271

B.3教学作业答案272