电气工程手册 电力电子·电机驱动 原书第2版PDF|Epub|txt|kindle电子书版本下载

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第一部分 半导体器件3

第1章 功率开关电子器件：促进电力电子系统发展的技术3

1.1 引言3

1.2 关键功率半导体器件的简要历史和基础4

1.2.1 双极型器件：晶闸管4

1.2.2 单极型器件：功率MOSFET4

1.2.3 MOS控制双极型功率器件IGBT5

1.2.4 关键功率器件开发及其主要特性6

1.3 双极型器件6

1.3.1 晶闸管和LTT6

1.3.2 门极关断晶闸管和集成门极换流晶闸管9

1.3.3 功率二极管11

1.4 双极型MOS控制模式器件13

1.4.1 IGBT13

1.5 单极型器件21

1.5.1 高压功率MOSFET21

1.5.2 低压功率MOSFET23

1.6 宽禁带器件24

1.6.1 SiC肖特基二极管24

1.6.2 SiC功率开关27

1.7 智能电力系统28

1.7.1 高压系统集成28

1.7.2 用于低电压集成的SMART电源技术29

1.8 总结30

参考文献30

第二部分 电机35

第2章 交流电机绕组35

2.1 引言35

2.2 MMF和气隙中的磁场波形35

2.2.1 简介35

2.2.2 单个整距绕组生成的MMF波形36

2.2.3 单相分布绕组的MMF波形37

2.2.4 短距绕组的MMF波形38

2.2.5 绕组极性的定义（极对概念）41

2.2.6 单导体的气隙MMF波形42

2.2.7 气隙磁通密度波形45

2.3 旋转磁场49

2.3.1 三相绕组的磁场49

2.3.2 笼型绕组中的旋转磁场51

2.3.3 不同绕组之间的等效性52

2.3.4 气隙分布的矢量表示53

2.3.5 气隙有效磁通54

2.3.6 谐波旋转磁场54

2.3.7 直线交流电机的绕组56

2.3.8 分数槽集中绕组57

2.3.9 交流分布绕组的构造58

参考文献61

第3章 多相交流电机62

3.1 引言62

3.2 原始相变域中的多相感应电机数学模型63

3.3 解耦（克拉克）变换和解耦电机模型66

3.4 旋转变换68

3.5 完整的变换矩阵71

3.6 空间矢量建模72

3.7 多个三相绕组的多相电机的建模75

3.8 同步电机的建模78

3.8.1 概述78

3.8.2 励磁绕组同步电机80

3.8.3 永磁同步电机81

3.8.4 同步磁阻电机82

3.9 结束语83

参考文献84

第4章 感应电动机85

4.1 总则和结构特点85

4.2 转矩特性测定89

4.2.1 起动转矩和起动电流92

4.2.2 峰值转矩92

4.3 感应电动机铭牌数据93

4.4 感应电动机拓扑94

4.4.1 绕线转子94

4.4.2 笼型转子94

4.5 感应电动机调速95

4.5.1 调节极对数95

4.5.2 调节转子电阻95

4.5.3 调节供电频率96

4.6 注意事项98

参考文献98

第5章 永磁电机99

参考文献105

第6章 永磁同步电机107

6.1 转子结构107

6.2 硬磁材料（永磁）110

6.2.1 带PM的磁性装置112

6.2.2 电流的影响112

6.2.3 参数114

6.3 PM电机的磁分析114

6.3.1 空载工作（SPM电机）115

6.3.2 d轴电流运行115

6.3.3 q轴电流运行116

6.3.4 IPM电机的电感116

6.3.5 PM同步电机的磁路模型117

6.3.6 饱和效应118

6.4 电机转矩119

6.4.1 齿槽转矩的计算119

6.4.2 带负载时的计算（SPM电机）120

6.4.3 带负载时的计算（IPM电机）120

6.5 减小转矩脉动120

6.5.1 减少SPM电机齿槽转矩120

6.5.2 减少IPM电机中的转矩脉动124

6.6 分数槽PM同步电动机126

6.6.1 通过槽星形分布的绕组设计127

6.6.2 绕组因数的计算128

6.6.3 双层到单层绕组的转换128

6.6.4 MMF空间谐波引起的转子损耗130

6.7 PM电机的矢量控制131

6.7.1 最大转矩电流比控制131

6.7.2 弱磁控制132

6.7.3 最大转矩电压比控制132

6.7.4 最大效率控制133

6.7.5 工作区域限制133

6.7.6 损耗最小化控制134

6.8 容错PM电机136

6.8.1 短路故障136

6.8.2 相间解耦138

6.8.3 多相电机驱动138

6.9 无传感器转子位置检测139

6.9.1 脉动电压矢量技术139

6.9.2 旋转电压矢量技术140

6.9.3 PM电机无传感器性能预测140

6.9.4 转子位置误差角信号的等高线图142

参考文献143

第7章 开关磁阻电机148

7.1 引言148

7.2 历史背景148

7.3 工作基本原理150

7.4 SRM驱动控制基础152

7.4.1 转矩开环控制策略153

7.4.2 SRM驱动的闭环转矩控制156

7.5 总结160

附录7.A160

7.A.1 8/6 SRM电感曲线的建模160

参考文献165

第8章 热效应167

8.1 引言167

8.2 基本传热和流量分析168

8.2.1 传导168

8.2.2 对流168

8.2.3 辐射170

8.3 热分析和相关热模型170

8.4 数值模型171

8.4.1 数值计算流体动力学171

8.4.2 有限元分析171

8.5 使用热网络的热分析171

8.5.1 导热热阻172

8.5.2 辐射热阻173

8.5.3 对流热阻173

8.6 电机热阻173

8.6.1 对流换热热阻173

8.6.2 辐射传热173

8.6.3 绕组与叠片之间的等效热导率174

8.6.4 端部绕组和端盖之间的强制对流传热系数174

8.7 使用热网络的瞬态热分析174

8.8 注意事项175

参考文献175

第9章 旋转电机的噪声与振动176

9.1 引言176

9.2 旋转电机噪声和振动的来源176

9.2.1 机械、气动和电磁噪声176

9.2.2 旋转电机频谱示例177

9.3 交流旋转电机电磁噪声180

9.3.1 现象描述180

9.3.2 变形模式181

9.3.3 示例182

9.4 机械和声学建模183

9.4.1 静态变形的幅值184

9.4.2 共振频率和振幅184

9.4.3 电机的声辐射185

9.5 交流电机的磁通密度谐波187

9.5.1 磁动势谐波187

9.5.2 气隙磁导谐波188

9.5.3 磁通密度谐波189

9.6 结论191

参考文献191

第10章 交流电机转矩谐波193

10.1 引言193

10.2 空间矢量定义193

10.2.1 只有一个定子相通电的情况193

10.2.2 三相供电情况194

10.2.3 备注195

10.3 使用空间矢量进行三相系统的表征195

10.3.1 三相正弦平衡系统195

10.3.2 三相正弦不平衡系统196

10.3.3 非正弦系统的情况196

10.4 旋转电机的初步考虑197

10.4.1 转子空间参考坐标系的介绍197

10.4.2 电压方程：瞬时功率198

10.4.3 电磁转矩定义198

10.5 感应电机建模200

10.6 平滑气隙感应电机的建模201

10.6.1 磁链空间矢量201

10.6.2 电磁转矩的其他公式202

10.6.3 正弦三相平衡供电：稳态运行模式202

10.6.4 非正弦电源：转矩谐波203

10.6.5 数值应用205

10.7 磁阻转矩207

10.7.1 电机建模207

10.7.2 磁阻转矩计算209

10.8 结论210

参考文献210

第三部分 变换215

第11章 三相AC-DC变换器215

11.1 概述215

11.1.1 引言215

11.1.2 控制策略217

11.2 三相PWM AC-DC变换器控制技术217

11.2.1 PWM AC-DC变换器基本控制原理217

11.2.2 PWM AC-DC变换器的数学描述218

11.2.3 线电压、虚拟磁链和瞬时功率估计221

11.2.4 电压定向控制224

11.2.5 基于虚拟磁链的直接功率控制225

11.2.6 直接功率控制-空间矢量调制227

11.2.7 有源阻尼228

11.2.8 PWM AC-DC变换器控制方案总结233

11.3 总结和结论234

参考文献237

第12章 AC-DC三相／三开关／三电平PWM升压变换器：设计、建模与控制239

12.1 引言239

12.2 开关模式变换器建模技术概述240

12.2.1 平均建模技术241

12.2.2 开关函数建模技术244

12.3 基本拓扑研究：单相、单开关、三电平变换器245

12.4 三相／三开关／三电平变换器的设计与平均建模250

12.4.1 三相／三开关／三电平变换器拓扑与运行251

12.4.2 三相／三开关／三电平变换器的状态-空间平均建模253

12.4.3 理想稳定运行状态256

12.4.4 设计准则258

12.4.5 状态空间小信号模型259

12.4.6 仿真结果263

12.5 三相／三开关／三电平PWM升压变换器平均模型多环路控制技术264

12.5.1 线性控制设计265

12.5.2 非线性控制设计266

12.5.3 仿真结果268

12.5.4 比较评估270

12.6 结论273

参考文献273

第13章 DC-DC变换器276

13.1 引言276

13.2 开关模式变换概念277

13.3 输出电流源变换器277

13.4 输出电压源变换器280

13.4.1 直接变换器280

13.4.2 间接变换器280

13.5 基础拓扑关系281

13.6 双向功率流281

13.7 隔离DC-DC变换器282

13.7.1 单端正激变换器282

13.7.2 单端混合桥式变换器283

13.7.3 反激变换器283

13.7.4 双端隔离变换器283

13.8 控制284

参考文献285

第14章 DC-AC变换器286

14.1 引言286

14.2 电压源逆变器287

14.2.1 简介287

14.2.2 VSI拓扑287

14.2.3 调制方法291

14.3 多电平电压源变换器306

14.3.1 引言306

14.3.2 多电平变换器307

14.3.3 多电平逆变器的调制技术313

14.4 电流源逆变器316

14.4.1 引言316

14.4.2 PWM-CSI316

14.4.3 PWM-CSI调制方法318

参考文献325

第15章 AC-AC变换器328

15.1 矩阵变换器328

15.1.1 引言328

15.2 矩阵变换器的概念329

15.2.1 电源电路的实现329

15.2.2 电源电路的保护333

15.2.3 调制算法333

15.2.4 两阶矩阵变换器（稀疏矩阵变换器）336

15.2.5 应用339

致谢339

参考文献339

第16章 AC-DC-AC变换器控制与应用的基本原理340

16.1 引言340

16.2 VSI供电感应电机的数学模型345

16.2.1 任意角速度旋转坐标系下的IM数学模型345

16.3 电压源整流器的运行346

16.3.1 电压源整流器的工作极限347

16.3.2 同步旋转xy坐标下的VSR模型348

16.4 AC-DC-AC馈电式变换器感应电机的矢量控制方法：综述349

16.4.1 磁场定向控制和虚拟磁链定向控制349

16.4.2 直接转矩控制和基于VF的直接功率控制351

16.4.3 带空间矢量调制的直接转矩控制和带有空间矢量调制的直接功率控制353

16.5 电源侧变换器控制器设计355

16.5.1 电源电流和电源功率控制器355

16.5.2 直流母线电压控制器360

16.6 直接功率和转矩控制与空间矢量调制362

16.6.1 带有功功率前馈的AC-DC-AC变换器供电感应电机驱动模型362

16.6.2 功率响应时间常数的分析363

16.6.3 直流母线电容器的能量364

16.7 直流母线电容器设计366

16.7.1 直流母线电容器额定值366

16.8 摘要和结论369

参考文献370

第17章 电源373

17.1 引言373

17.2 单相整流器374

17.2.1 无内部输入电流控制回路的PFC环节374

17.2.2 内部控制电流环的PFC环节377

17.3 直流负载功率变换378

17.3.1 隔离380

17.3.2 开关电容变换器381

17.3.3 软开关变换器382

17.4 趋势385

17.4.1 新器件和新磁芯385

17.4.2 并联工作385

17.4.3 节能386

17.4.4 数字建模与控制387

17.5 结论388

参考文献388

第18章 不间断电源391

18.1 引言391

18.2 UPS系统分类391

18.3 储能系统394

18.4 分布式UPS系统395

18.5 基于分布式UPS系统的微电网400

18.6 下垂法概念403

18.7 通信403

18.8 虚拟输出阻抗404

18.9 微电网控制405

18.10 结论407

参考文献407

第19章 多电平逆变器发展趋势409

19.1 引言409

19.2 多电平逆变器基础409

19.3 多电平逆变器的拓扑结构411

19.3.1 中性点钳位逆变器411

19.3.2 级联H桥逆变器412

19.3.3 飞跨电容逆变器413

19.4 多电平逆变器运行问题414

19.5 感应电机驱动多电平拓扑的发展趋势414

19.6 逆变器供电开放式绕组驱动415

19.7 常规2电平逆变器级联多电平逆变器416

19.8 十二边形空间矢量结构419

19.9 多电平逆变器PWM策略423

19.10 多电平逆变器的未来趋势427

参考文献428

第20章 谐振变换器430

20.1 引言430

20.2 二阶谐振电路430

20.3 负载-谐振变换器433

20.3.1 输入时间函数434

20.3.2 串联谐振变换器434

20.3.3 不连续模式436

20.3.4 并联谐振变换器437

20.3.5 E类变换器438

20.3.6 串并联负载谐振DC-DC变换器438

20.4 谐振开关变换器439

20.4.1 ZCS谐振变换器440

20.4.2 ZVS谐振变换器441

20.4.3 ZCS和ZVS变换器的总结与比较441

20.4.4 两象限ZVS谐振变换器442

20.5 ZVS谐振DC环节变换器444

20.6 双通道谐振DC-DC变换器445

20.6.1 基本结构445

20.6.2 稳态运行447

20.6.3 四个受控开关的结构448

20.6.4 控制特性449

致谢450

参考文献450

第四部分 电机驱动453

第21章 变换器供电感应电机驱动控制453

21.1 引言453

21.2 变换器供电感应电机分析中使用的符号453

21.3 感应电机理论基础455

21.3.1 空间矢量方程455

21.3.2 框图456

21.3.3 稳态特性458

21.4 IM控制方法分类460

21.5 标量控制461

21.5.1 开环恒定电压／频率控制461

21.6 磁场定向控制463

21.6.1 简介463

21.6.2 电流控制的R-FOC方案463

21.6.3 电压控制定子磁场定向控制方案：自然磁场定向469

21.7 直接转矩控制471

21.7.1 基本原则471

21.7.2 通用DTC方案473

21.7.3 基于查表的DTC：圆形定子磁链矢量路径474

21.7.4 直接自控：六边形定子磁链矢量路径479

21.8 空间矢量调制的DTC方案481

21.8.1 基于滞环DTC方案的关键评估481

21.8.2 具有闭环转矩控制的DTC-SVM方案482

21.8.3 具有闭环转矩和磁链控制的DTC-SVM方案482

21.9 总结和结论483

参考文献485

第22章 双馈感应电机驱动487

22.1 引言487

22.2 电机模型488

22.3 DFM的特性489

22.4 电机稳态运行491

22.5 控制规则和解耦控制492

22.5.1 基于MM电机模型的解耦控制493

22.5.2 基于矢量模型的解耦控制494

22.5.3 基于转子电流方程的解耦控制494

22.6 总体控制系统494

22.6.1 基于MM模型的控制系统496

22.6.2 基于矢量模型的控制系统497

22.7 变量估计497

22.7.1 计算定子与转子之间的角度497

22.7.2 用于估计转子速度和位置的锁相环的应用498

22.8 控制系统数字化实现的说明498

22.8.1 采样引起的延迟时间的补偿498

22.8.2 电流和电压的测量498

参考文献499

第23章 独立双馈感应发电机500

23.1 引言500

23.2 独立DFIG拓扑501

23.2.1 独立DFIG模型501

23.2.2 滤波电容器的选择502

23.2.3 独立DFIG的初始励磁503

23.2.4 定子配置504

23.3 控制方法505

23.3.1 定子电压矢量的无传感器控制507

参考文献511

第24章 FOC：磁场定向控制512

24.1 引言512

24.2 多相永磁同步电机的磁场定向控制516

24.3 多相同步磁阻电机的磁场定向控制523

24.4 多相感应电机的磁场定向控制525

24.5 结束语535

参考文献536

第25章 电驱动自适应控制538

25.1 引言538

25.2 自适应控制结构：基础538

25.3 驱动系统中的增益调度540

25.4 驱动系统的自校正调速器542

25.5 模型参考自适应结构546

25.6 自适应调节器的特例——电驱动神经控制552

25.7 结束语555

参考文献555

第26章 带弹性联轴器的驱动系统558

26.1 引言558

26.2 驱动器的数学模型558

26.3 扭振阻尼方法559

26.4 被动方法560

26.5 经典控制结构的修正561

26.6 谐振比控制564

26.7 状态控制器的应用565

26.8 模型预测控制567

26.9 自适应控制568

26.10 结束语572

参考文献572

第27章 基于多标量模型的交流电机控制系统574

27.1 引言574

27.2 非线性变换与反馈线性化574

27.3 笼型感应电机模型576

27.3.1 笼型感应电机矢量模型576

27.3.2 笼型感应电机的多标量模型576

27.3.3 感应电机多标量模型的反馈线性化579

27.4 双馈感应电机模型579

27.4.1 双馈感应电机的矢量模型579

27.4.2 DFM的多标量模型580

27.4.3 DFM的反馈线性化581

27.5 内嵌式永磁同步电机模型581

27.5.1 内嵌式永磁同步电机矢量模型581

27.5.2 IPMSM的多标量模型582

27.5.3 IPMSM的反馈线性化582

27.5.4 IPMSM的高效控制583

27.6 反馈线性化的交流电机控制系统结构583

参考文献585

第五部分 电能应用589

第28章 可持续照明技术589

28.1 引言589

28.2 调光技术590

28.2.1 白炽灯调光591

28.2.2 频率控制电子镇流器的低压放电灯调光591

28.2.3 直流母线电压控制电子镇流器的低压放电灯调光595

28.2.4 带电子镇流器的高强度放电灯调光596

28.2.5 带电子镇流器的大型照明系统调光598

28.3 可持续调光系统——可回收磁镇流器的放电灯调光599

28.3.1 方法Ⅰ：控制灯的电源电压或电流599

28.3.2 方法Ⅱ：镇流器灯阻抗路径的控制601

28.3.3 方法Ⅲ：灯端阻抗的控制601

28.3.4 可持续照明技术的实例601

28.4 未来可持续照明技术——T5荧光灯超低损耗无源镇流器603

28.5 结束语605

参考文献605

第29章 光-电-热的一般理论及对发光二极管系统的影响607

29.1 引言607

29.2 白色高亮度LED和荧光灯的热与光比较608

29.2.1 散热比较608

29.2.2 热损失机理比较609

29.3 LED系统的一般光电热理论609

29.3.1 总体分析610

29.3.2 简化方程611

29.3.3 LED的结壳热阻Rjc的影响611

29.3.4 在LED系统设计中使用的一般理论611

29.4 一般理论的含义613

29.4.1 增加冷却效果可提高光输出613

29.4.2 多芯片与单芯片的LED器件613

29.4.3 多个低功率LED与单个大功率LED的使用614

29.5 结束语615

参考文献615

第30章 太阳能转换618

30.1 引言618

30.2 太阳能电池：现状与未来618

30.3 系统平衡622

30.4 最大功率点跟踪功能623

30.5 单级和多级光伏逆变器628

30.6 结束语631

参考文献631

第31章 混合动力电动汽车与纯电动汽车的电池管理系统634

31.1 引言634

31.2 HEV分类634

31.2.1 微混合634

31.2.2 轻度混合634

31.2.3 全混合635

31.2.4 强混合635

31.2.5 插电式混合635

31.2.6 纯电动汽车635

31.2.7 增程式电动汽车635

31.2.8 燃料电池汽车635

31.3 混合动力传动结构636

31.3.1 串联混合动力汽车636

31.3.2 并联混合动力汽车637

31.4 EV与HEV的电池与电子系统637

31.4.1 汽车电池管理系统638

31.4.2 过电流保护639

31.4.3 过电压与欠电压保护639

31.4.4 过热与欠温保护640

31.4.5 HEV动力电池检测系统实例640

31.4.6 动力电池的均衡方法642

31.4.7 分流主动均衡法643

31.4.8 穿梭主动均衡法646

31.4.9 能量变换器主动均衡法647

31.4.10 对比分析649

31.4.11 智能电池单元649

31.4.12 电池模型649

31.4.13 荷电状态测定650

31.4.14 健康状态确认652

31.4.15 历史记录功能652

31.4.16 充电调节652

31.4.17 通信654

第32章 汽车系统电力负载655

32.1 引言655

32.2 电动转向系统656

32.2.1 传统动力转向系统656

32.2.2 线控转向系统656

32.3 电子稳定控制系统657

32.3.1 无级变速传动系统657

32.3.2 点火系统658

32.3.3 防抱死制动659

32.4 电子燃油喷射660

32.4.1 汽车泵660

32.4.2 电动门窗660

参考文献661

第33章 插电式混合动力汽车662

33.1 引言662

33.2 PHEV技术663

33.2.1 PHEV能量储存663

33.2.2 PHEV控制策略664

33.2.3 功率电子和驱动电机664

33.3 PHEV充电基础设备665

33.3.1 从电网充电665

33.3.2 从可再生能源充电665

33.3.3 功率流控制策略666

33.4 PHEV效率666

33.4.1 PHEV油井-油箱效率666

33.4.2 PHEV油箱-车轮效率666

33.5 结束语667

参考文献668

第六部分 电力系统671

第34章 三相电力系统671

34.1 平衡多相电力系统示例671

34.2 平衡三相电路分析672

34.2.1 星形三角形联结675

34.3 功率因素考虑678

34.4 结束语682

第35章 非接触式能量传输683

35.1 引言683

35.2 基本运行准则684

35.2.1 补偿拓扑685

35.2.2 电力谐振变换器686

35.3 CET系统概述689

35.4 配有多个二次绕组的CET系统概述689

35.5 配有级联变压器的CET系统690

35.6 配有滑动式变压器的CET系统691

35.7 配有多个一次绕组的CET系统692

35.7.1 引言692

35.7.2 平面电感绕组692

35.7.3 电磁设计693

35.7.4 电力电子的应用694

35.7.5 运行特点695

35.8 结束语695

参考文献696

第36章 智能能源分配699

36.1 智能能源分配的发展699

36.2 智能电网的关键概念701

36.3 智能电网展望704

参考文献705

第37章 柔性交流输电系统706

37.1 引言706

37.2 FACTS的基本技术706

37.2.1 电力半导体707

37.2.2 基于晶闸管的FACTS设备707

37.2.3 基于变换器的FACTS设备707

37.3 FACTS的种类和建模708

37.3.1 静止无功补偿器709

37.3.2 静止补偿器712

37.3.3 可控串联补偿器715

37.3.4 晶闸管控制的调压器和移相器718

37.3.5 统一潮流控制器720

37.4 FACTS在电力系统中的应用723

37.4.1 电压稳定性和无功补偿723

37.4.2 潮流控制和可用传输容量（阻塞控制）723

37.4.3 暂态小扰动稳定性724

37.4.4 可靠性724

37.5 FACTS的额定值724

37.6 FACTS的成本724

37.6.1 成本结构725

37.6.2 价格指南725

37.7 结束语726

参考文献726

第38章 电能质量改进的滤波技术731

38.1 引言731

38.2 谐波产生和特性732

38.3 干扰特性732

38.3.1 功率因数733

38.3.2 总谐波畸变率733

38.3.3 畸变因数733

38.3.4 峰值因数734

38.4 谐波源的种类734

38.5 提高电能质量的滤波器738

38.5.1 无源滤波器739

38.5.2 有源电力滤波器743

38.6 有源滤波器的控制755

38.7 单相并联有源电力滤波器的拓扑结构756

38.7.1 参考信号的提取757

38.7.2 单极PWM的控制原理757

38.7.3 PWM门控信号的产生原理763

38.7.4 有源电力滤波器的控制763

38.7.5 单相有源电力滤波器的小信号模型763

38.7.6 仿真结果768

38.7.7 实验验证773

38.8 三相并联有源电力滤波器776

38.8.1 参考电流提取776

38.8.2 控制技术原理779

38.8.3 仿真结果781

38.9 结束语785

参考文献785