PWM模式与电力电子变换技术

电气自动化、电力电子与电力传动专业的学生生 

本书以ＰＷＭ 模式为先导，展开讨论了ＶＶＶＦ变频调速中的若干技术问题、无刷直流电动机调速控制、矩阵式变换器、异步电动机矢量控制与直接转矩控制、永磁同步电动机驱动控制、三相软开关电力变换器、高压大容量逆变器、电压型ＰＷＭ 整流器、有源电力滤波器、光伏发电逆变控制器、风力发电逆变控制器、微电网、智能电网与智能社区等。书中除了基本原理的阐述和推导外，还附有仿真和实验结果，透过实验现象，分析问题本质，根据存在问题，提出解决问题方法。尽量从物理意义上分析有关问题的内涵，理论联系实际，由浅入深，深入浅出，内容丰富、新颖。本书非常适合于电气自动化、电力电子与电力传动专业的研究生作为教材，以及工程技术人员、研究人员、大专院校教师、高年级本科学生作为参考书。

陈国呈，1984-1989年在日本上智大学攻读博士，1999年日本大阪大学客座研究员。上海大学教授、博导。

目　　录前言第１章　犘犠犕模式及其优化 １　１．１　ＰＷＭ的调制方式与输出电压波形 １１．１．１　ＰＷＭ调制方式 １１．１．２　脉宽调制的输出电压波形 ２　１．２　基于等腰三角载波的正弦波ＰＷＭ的频谱分析 ３１．２．１　正弦波ＰＷＭ （ＳＰＷＭ） ３１．２．２　正弦波ＰＷＭ的频谱分析 ４　１．３　准ＰＷＭ １０　１．４　选择谐波消去法ＳＨＥＰＷＭ １０　１．５　基于等腰三角载波的鞍形波ＰＷＭ １４１．５．１　鞍形波的由来及其操作方法 １４１．５．２　ＳＡＰＷＭ的频谱分析 １７　１．６　基于等腰三角载波的开关次数少调制波的ＰＷＭ ２７１．６．１　开关次数少调制波的生成方法 ２７１．６．２　开关损耗小ＰＷＭ 的谐波特性 ２８　１．７　基于锯齿载波的ＳＰＷＭ ３１１．７．１　单相ＳＰＷＭ的频谱分析 ３１１．７．２　三相ＳＰＷＭ的数学分析 ３５　１．８　基于锯齿载波的ＳＡＰＷＭ ３８１．８．１　单相ＳＡＰＷＭ的数学分析 ３８１．８．２　三相ＳＡＰＷＭ的数学分析 ４０１．８．３　结论 ４２　１．９　基于锯齿载波的少开关次数调制波的ＰＷＭ ４２１．９．１　少开关次数调制波的输出线电压 ４２１．９．２　周期函数的双重傅里叶级数展开式 ４３１．９．３　少开关次数调制波的三相ＰＷＭ频谱特性 ４４１．９．４　频谱归纳与分析 ５１１．９．５　结论 ５３　１．１０　两相调制ＰＷＭ模式 ５４　１．１１　几种ＰＷＭ模式的统一 ５６１．１１．１　μ＝０或μ＝１ ５６１．１１．２　μ＝０．５ ５９１．１１．３　μ为动态分布 ６０第２章　犞犞犞犉变频调速中的若干技术问题 ６３　２．１　异步电动机变频调速原理与控制方式 ６３２．１．１　异步电动机变频调速原理 ６３２．１．２　变频器的控制方式 ６８２．１．３　风机水泵的节能原理 ６９２．２　主回路的换相过程与输出电流波形失真 ７１２．２．１　ＰＷＭ模式与换相关系 ７１２．２．２　变频器输出电流波形的失真及其补偿 ７７２．２．３　相位角预测与死区时间补偿 ８２　２．３　变频器引发的谐波污染及其抑制对策 ８６２．３．１　分布参数为纯电阻时的相电流数值分析 ８６２．３．２　分布参数含电感时的相电流数值分析 ８９２．３．３　高次谐波干扰及其抑制方法 ９１　２．４　交流变频调速中的制动状态 ９６２．４．１　发电机状态下的能量转换问题 ９６２．４．２　异步电动机的能量再生与制动 １０２第３章　无刷直流电动机调速控制 １１７　３．１　无刷直流电动机的基本结构 １１７　３．２　无刷直流电动机的工作原理 １１８３．２．１　三相半控电路 １１８３．２．２　三相 联结全控电路 １２２３．２．３　三相联结全控电路 １２５　３．３　多相电动机控制举例 １２７３．３．１　二三通电方式 １２７３．３．２　五五通电方式 １２８３．３．３　五四通电方式 １２９　３．４　无刷直流电动机在变频空调中的应用 １３０３．４．１　空调器的调温控制原理 １３０３．４．２　反电动势三次谐波积分检测法 １３１３．４．３　几种ＰＷＭ调制模式 １３６３．４．４　不同ＰＷＭ 调制模式对电磁转矩影响 １３７３．４．５　直流电压可调型ＰＷＭ控制 １４２３．４．６　漏电流的补偿电路原理 １４５第４章　矩阵式变换器 １４７　４．１　矩阵式变换器的结构 １４７　４．２　矩阵式变换器的双空间矢量调制原理 １４７　４．３　等效交直交结构的空间矢量调制 １５１　４．４　矩阵式变换器的ＰＷＭ 数字实现方法 １５８　４．５　矩阵式变换器双向开关的实现与四步半软换流 １６０　４．６　四步换流对输出性能的影响及其补偿 １６４　４．７　双向开关的吸收与保护电路 １６６　４．８　矩阵式变换器的输入滤波器设计 １６７第５章　异步电动机矢量控制与直接转矩控制 １７１　５．１　三相异步电动机的数学模型 １７１　５．２　坐标变换与变换矩阵 １７７　５．３　三相异步电动机在两相同步旋转坐标系下的数学模型 １８０　５．４　异步电动机转子磁通定向矢量控制 １８７　５．５　基于动态模型按定子磁链控制的直接转矩控制系统 １９３第６章　永磁同步电动机驱动控制 １９９　６．１　永磁同步电动机的转子结构 １９９　６．２　永磁同步电动机的数学模型 ２００６．２．１　永磁同步电动机在αβ静止坐标系下的数学模型 ２００６．２．２　永磁同步电动机在ｄｑ旋转坐标系下的数学模型 ２０１６．２．３　表面凸出式永磁同步电动机转矩的产生 ２０３　６．３　基于转子磁场定向的永磁同步电动机矢量控制系统 ２０４　６．４　永磁同步电动机直接转矩控制方式 ２０６６．４．１　滞环比较控制与ＳＶＰＷＭ 控制的比较 ２０６６．４．２　定子磁链的计算模型 ２０９６．４．３　预期电压计算模型 ２１１６．４．４　电磁转矩与定子磁链幅值及负载角的关系 ２１３　６．５　永磁同步电动机转子位置检测方法 ２１７６．５．１　有转子位置传感器的转子位置检测方法 ２１７６．５．２　无位置传感器的转子位置检测方法 ２２９第７章　三相软开关电力变换器 ２４５　７．１　几种软开关电路 ２４５７．１．１　高效准谐振ＤＣ环节逆变器 ２４５７．１．２　并联谐振ＤＣ环节逆变器 ２４６７．１．３　辅助准谐振变流器 ２４９７．１．４　准谐振ＺＶＳ环节逆变器 ２５１　７．２　一个典型的三相软开关ＰＷＭ变频器 ２５４７．２．１　电路结构与动作分析 ２５４７．２．２　输出特性分析 ２５６７．２．３　软开关变频器主电路的数学解析 ２５８　７．３　三相软开关高功率因数ＰＷＭ变频器 ２６６７．３．１　双ＰＷＭ变频器电路结构 ２６６７．３．２　软开关动作分析 ２６７７．３．３　双ＰＷＭ 变频器的控制方法及实验结果 ２６８　７．４　一种高效率ＺＶＴ三相ＰＷＭ逆变器 ２６９７．４．１　一种高效率ＺＶＴ三相ＰＷＭ 逆变器拓扑结构 ２６９７．４．２　控制方式 ２６９７．４．３　动作模式分析 ２７１７．４．４　实验结果与分析 ２７３第８章　高压大容量逆变器 ２７５　８．１　ＩＧＢＴ直接串联技术 ２７５　８．２　多重化逆变技术 ２７９８．２．１　电压型多重逆变器 ２８０８．２．２　电流型多重逆变器 ２９８　８．３　多电平逆变技术 ３０２８．３．１　多电平逆变器原理 ３０２８．３．２　三电平逆变器的ＰＷＭ控制 ３０２８．３．３　三电平逆变器的空间电压矢量控制 ３０６　　８．３．４　中点电压波动机理的分析 ３１２　　８．３．５　电容中点电压平衡控制 ３１８第９章　电压型犘犠犕整流器 ３２５　９．１　整流器的ＰＷＭ调制 ３２５　９．２　主电路的工作模式 ３２６　９．３　ＰＷＭ整流器的调相原理 ３２９　９．４　主电路结构及其工作原理 ３３０　９．５　相幅调节方式 ３３２　９．６　基本特性的数学分析 ３３７　９．７　整流器的传输功率及稳定性 ３４３　９．８　整流器的实现 ３４７第１０章　有源电力滤波器 ３５１　１０．１　有源电力滤波器的基本原理 ３５１　１０．２　有源电力滤波器电路 ３５２１０．２．１　补偿电流指令值的检测方法 ３５２１０．２．２　补偿电流的产生方法 ３５９１０．２．３　有源电力滤波器的损耗补偿 ３６２第１１章　光伏发电逆变控制器 ３６４　１１．１　光伏电池的基本原理 ３６４１１．１．１　半导体材料的原子结构与晶格结构 ３６４１１．１．２　载流子 ３６６１１．１．３　半导体的ＰＮ结 ３６７　１１．２　光伏电池的特性和参数 ３６９１１．２．１　光伏电池的特性 ３６９１１．２．２　光伏电池的主要参数 ３７２１１．２．３　典型的光伏电池输出特性 ３７５　１１．３　蓄电池的充电过程 ３７６１１．３．１　铅酸蓄电池 ３７６１１．３．２　镉镍蓄电池 ３７８１１．３．３　安全性 ３７９１１．３．４　储能蓄电池的几个重要参数 ３８０１１．３．５　蓄电池充电的控制策略 ３８１　１１．４　利用导抗变换的光伏发电逆变器 ３８５１１．４．１　导抗变换器的理论基础 ３８６１１．４．２　单相并网逆变器 ３８７１１．４．３　使用裂相逆变的三相并网逆变器 ３９４　１１．５　一种微型单相光伏并网逆变器 ３９８１１．５．１　系统结构原理 ３９８１１．５．２　控制方法 ３９９１１．５．３　仿真结果 ４０１　１１．６　高／低电压穿越测试要求 ４０４　１１．７　孤岛效应问题 ４０６１１．７．１　孤岛效应的发生 ４０６１１．７．２　传统孤岛效应检测法 ４０６第１２章　风力发电逆变控制器 ４１４　１２．１　风力发电技术概述 ４１４１２．１．１　风力机的类型 ４１４１２．１．２　风力机的基本特性 ４１５１２．１．３　风力机的功率调节 ４２０　１２．２　绕线转子异步电动机双馈（串级）调速原理 ４２１１２．２．１　次同步转速下作电动运行 ４２３１２．２．２　反转时作倒拉制动运行 ４２４１２．２．３　超同步转速下作回馈制动运行 ４２４１２．２．４　超同步转速下作电动运行 ４２５１２．２．５　次同步转速下反接回馈制动运行 ４２５１２．２．６　转子励磁超同步转速下发电运行 ４２６１２．２．７　转子励磁次同步转速下发电运行 ４２６　１２．３　恒速恒频风力发电 ４２７１２．３．１　同步发电机发电 ４２８１２．３．２　笼型感应发电机发电 ４３２　１２．４　变速恒频风力发电逆变器并网控制技术 ４３７１２．４．１　直驱式永磁同步机风力发电 ４３７１２．４．２　双馈感应电机风力发电 ４４６１２．４．３　结束语 ４５７第１３章　微电网、智能电网与智能社区 ４５８　１３．１　智能电网 ４５８　１３．２　智能社区概述 ４５８１３．２．１　智能社区 ４５８１３．２．２　智能社区架构 ４５９　１３．３　新能源社会系统与管理 ４６１１３．３．１　新一代能源社会系统 ４６１１３．３．２　社区能源管理 ４６２１３．３．３　用户能源管理 ４６４１３．３．４　海外项目的拓展 ４６５　１３．４　孤岛的微电网系统 ４６６１３．４．１　孤岛上的微电网 ４６６１３．４．２　孤岛微电网的基本结构 ４６７１３．４．３　小规模孤岛的控制功能 ４６８１３．４．４　高速频率检测装置 ４６９　１３．５　微电网的电力电子技术 ４６９１３．５．１　并网所需功能 ４６９１３．５．２　孤岛运行检测功能 ４６９１３．５．３　发电波动及可再生能源波动的应对功能 ４７０１３．５．４　微电网上的电力电子技术 ４７０１３．５．５　智能电网电力电子的未来 ４７２附录 ４７５参考文献 ４９３

前　　言随着微电子、电力电子器件的迅速发展，以及化石能源危机、气候恶化、雾霾与环境污染的日趋严重，国际社会对节能与环保的重视已提到了前所未有的高度，行业对电力电子产品设备的要求更加严苛，比如变换效率高、电气污染小、功率因数高、无功功率任意可调、稳态精度高、动态响应快。另一方面，为了减少设备故障率和提高性价比，一种隐性的设计思想就是尽量减少电子器件数目，特别是少用或免用一些价格昂贵的精密传感器。为了应对能源危机，光靠提高变换效率是远远不够的，必须开源节流，开发利用太阳能、风能、潮汐、地热、燃料电池等可再生能量，包括能量回馈。我国中西部地区，有着丰富的太阳能和风能，它的开发利用对我国国民经济发展具有十分重要意义。但这需要西电东输，才能得以消纳，其间存在着功率潮流问题，需要严加管控。此外，基于上述新能源的光伏电站，即便其容量达数百千瓦乃至数兆瓦之大，但相对于传统的电网来说，也只能算是微电网。光伏电站的此起彼立，无形中形成了微电网，其间的协调、管理与控制也是一大挑战。上述诸多问题，从电力电子与电力传动的专业角度来看，涉及主电路拓扑结构、控制电路结构等硬件问题，还有是软件的控制方法问题，它包括脉宽调制模式、矢量控制、直接转矩控制、控制、智能控制等。本书以ＰＷＭ 模式为先导，展开讨论了ＶＶＶＦ变频中的若干技术问题、无刷直流电动机驱动控制、矩阵式变换器、异步电动机驱动控制、永磁同步电动机驱动控制、三相软开关电力变换器、高压大容量逆变器、电压型ＰＷＭ 整流器、有源电力滤波器、光伏并网发电逆变控制器、风力并网发电逆变控制器、微电网／智能电网／智能社区等。本书涉及的专业基础理论有电工学、电机学、电力电子学、数学、微机原理、自动控制理论等。书中除了基本原理的阐述和推导外，还附有仿真和实验结果。透过实验现象，分析问题本质，根据存在问题，提出解决问题方法。尽量从物理意义上分析有关问题的内涵，理论联系实际，深入浅出，内容新颖，反映了当前电力电子与电力传动学科的新成果和新方向。许多内容是作者和作者课题组成员长期从事教学与科研工作的成果与心得积累。本书内容有一定深度，可作为电气自动化、特别是电力电子与电力传动专业研究生的教材及工程技术人员、研究人员、大专院校教师、高年级本科学生的参考书。通过理论学习和实际训练，能有效提高独立分析问题和解决问题的科研工作能力。本书第５．４节由上海大学宋文祥教授执笔，其余由陈国呈教授执笔并负责全书统稿和校对工作。在撰写过程中得到了上海交通大学张琛教授，浙江大学贺益康、徐德鸿、赵荣祥、甘德强四位教授，南通大学吴国祥教授，湖南大学黄科元副教授，石油大学赵仁德副教授等的大力协助及常州钜特工业科技有限公司周勤利工程师，顾红兵高级工程师，上海吉亿电机有限公司王得利工程师，上海三菱电梯有限公司马炜工程师的大力支持。作者谨借此机会向以上各位同行表示衷心感谢。书中还引用了许多前辈及同行专家、学者的有关内容，除了在书中相应处作标注外，也在此向所有相关作者致以诚挚的感谢，此处不再一一列举。后，作为收官之作，本人借此机会向曾经指导和教诲过本人的恩师日本上智大学金东海教授、大阪工业大学谷口胜则教授、已故上海交通大学教授张钟俊院士致以衷心的感谢，导师的渊博知识和严谨学术风范不仅为作者指明了学术方向，更熏陶了作者求真务实、一丝不苟地追求学术真谛的思想和品格，并为电力电子与电力传动事业奋斗一生。限于作者的学识水平和精力，书中可能存在疏忽和谬误之处，恳请读者发现后及时指出，帮助改正，作者不胜感谢。联系地址：上海市延长路１４９号上海大学自动化系１４信箱。上海大学　陈国呈