电力电子与电机系统集成分析基础

前言

本书常用符号及含义

第1章电力电子与电机系统集成概述1

1 1电力传动基础2

1 1 1麦克斯韦电磁定律3

1 1 2电机的结构与原理5

1 1 3电机的机械特性9

1 2可变电源下的电力传动14

1 2 1 VVVF控制方法14

1 2 2矢量控制16

1 2 3PWM调制与谐波分量18

1 3集成系统的特征及内容21

1 3 1集成实例分析21

1 3 2集成系统的特征24

1 3 3集成系统的基本内容26

参考文献28

第2章变频电源驱动下的电机特性30

2 1变频调速对电机运行的影响30

2 1 1电机机械特性的变化30

2 1 2电机内部磁场分布的变化31

2 1 3电机的电流谐波和电压谐波增加32

2 1 4电流和磁场矢量控制33

2 2变频调速电机设计主要概念33

2 2 1变频调速电机设计理念34

2 2 2变频调速电机设计公式35

2 3变频调速电机中的谐波分析40

2 3 1变频调速电机的分析模型40

2 3 2谐波电流对磁场的影响及磁场分析43

2 3 3谐波对损耗的影响及计算方法45

2 3 4高次谐波对电机运行性能的影响分析46

2 4闭环控制中的电机运行49

2 4 1矢量控制中电机运行性能的分析模型50

2 4 2闭环控制系统中电机稳态运行点分析53

2 4 3闭环控制下的电机性能分析55

2 4 4最优转差率控制与电机运行点的匹配56

2 5小结58

参考文献59

第3章电力电子器件与变换器61

3 1电力半导体器件的分类62

3 1 1按照电力半导体器件发展来分类62

3 1 2按照电力半导体器件控制方式来分类62

3 1 3按照电力半导体器件驱动方式分类63

3 1 4按照电力半导体器件中载流子性质分类63

3 2电力半导体器件的工作原理及特性66

3 2 1单PN结器件(二极管)的工作原理与特性66

3 2 2多PN结器件的工作原理74

3 2 3多PN结器件的特性80

3 3电力电子变换器的拓扑结构82

3 3 1变换器理想开关的定义83

3 3 2变换器的基本拓扑单元84

3 3 3基于器件特性的变换器基本拓扑单元87

3 3 4两电平拓扑结构88

3 4多电平电力电子变换器90

3 4 1多电平变换器基础90

3 4 2二极管钳位式多电平变换器92

3 4 3电容悬浮式多电平变换器94

3 4 4级联式多电平变换器96

3 4 5多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路99

参考文献102

第4章PWM控制及其变异104

4 1变换器的PWM控制方法及多电平SPWM104

4 1 1PWM的基本概念104

4 1 2载波PWM106

4 2空间矢量PWM111

4 2 1SVPWM基本原理111

4 2 2SVPWM矢量合成114

4 2 3SVPWM开关顺序116

4 2 4多电平SVPWM121

4 3其他类型的PWM方法124

4 3 1特定消谐PWM124

4 3 2具有反馈环节的PWM126

4 3 3单周期控制(One cycle control)128

4 4PWM波形的死区、最小脉宽和异常脉冲129

4 4 1死区及最小脉宽129

4 4 2信号脉冲与功率脉冲132

参考文献134

第5章集成系统特性分析136

5 1电机与负载集成136

5 1 1典型负载及其数学描述136

5 1 2电机与负载参数的匹配137

5 2电机与变频电源集成140

5 2 1变频调速下的电机效率140

5 2 2变频电源参数及其开关损耗143

5 2 3集成系统的热分析147

5 2 4集成系统的过载保护149

5 3高频模型及其分析149

5 3 1高频模型的基本原理149

5 3 2高频等效电路151

5 4集成系统的故障容错154

5 4 1容错策略的基本原理154

5 4 2故障容错的应用156

5 5集成系统分析的特点161

参考文献162

第6章系统的闭环控制163

6 1异步电机动态数学模型163

6 1 1基本假设与物理模型163

6 1 2动态数学模型164

6 2矢量控制166

6 2 1矢量控制的基本原理166

6 2 2矢量控制系统的类型167

6 2 3磁通观测器168

6 3直接转矩控制170

6 3 1直接转矩控制的基本原理170

6 3 2基本直接转矩控制173

6 3 3磁链观测174

6 4无速度传感器控制176

6 4 1直接计算法177

6 4 2模型参考自适应法178

6 4 3观测器179

6 4 4其他方法180

6 5数字滤波器在磁链观测中的应用181

6 5 1有限冲击响应滤波器的工作原理182

6 5 2使用有限冲击响应数字滤波器的定子磁链观测器182

6 5 3有限冲击响应数字滤波器的效果183

6 6矢量控制与直接转矩控制的鲁棒性分析185

6 6 1关于鲁棒性的简单说明185

6 6 2变频调速系统的鲁棒性分析186

6 6 3速度传感器对控制系统鲁棒性的影响187

6 7矢量控制与直接转矩控制试验比较188

6 7 1试验条件188

6 7 2试验系统平台188

6 7 3试验原理分析189

6 7 4试验内容与结果分析191

参考文献195

第7章控制与检测信号的数据通信198

7 1数据通信系统的结构及分类198

7 1 1通信信号及其特点198

7 1 2集成系统中的通信系统型式201

7 1 3通信的可靠性与容错203

7 2集成系统信号数据流特点203

7 2 1控制系统的特征203

7 2 2控制系统的数据流模型208

7 3通信系统的硬件结构210

7 3 1通信媒质的选取211

7 3 2光纤CAN总线网络硬件设计213

7 3 3串行RS 422通信硬件设计217

7 3 4双口RAM通信的硬件设计217

7 4数据结构设计218

7 4 1控制系统数据结构的统筹设计218

7 4 2CAN总线通信协议与软件的结构化设计219

7 4 3RS 232通信协议与软件的结构化设计223

7 4 4RS 422通信协议与软件的结构化设计226

7 4 5双口RAM通信协议与软件的结构化设计227

7 4 6通信容错策略229

7 5多种通信系统协同实现的综合控制230

7 5 1协调控制的实现步骤230

7 5 2全局数据更新232

7 5 3外围控制功能234

参考文献235

第8章集成系统中的能量变换237

8 1集成系统中的电磁能量237

8 1 1电磁关系特点237

8 1 2电路理论分析的局限性241

8 1 3面向电磁能量处理的系统集成242

8 2电磁能量变换建模243

8 2 1集成系统的物理描述244

8 2 2系统的数学建模246

8 2 3开关器件中的电磁能量变换248

8 2 4储能元件中的电磁能量变换252

8 2 5连接件中的电磁能量分析253

8 3变换器中的电磁能量传输256

8 3 1材料特性对电磁传输的影响256

8 3 2变换器中的能量传输258

8 3 3电磁波形在传输中的畸变及损耗259

8 4基于电磁能量变换的集成系统设计发展263

参考文献264

《电力电子与电机系统集成分析基础》从电力电子与电机系统集成的角度出发，将电机、电力电子变换及其控制有机地结合在一起进行分析和应用。《电力电子与电机系统集成分析基础》共分8章，主要介绍电力电子与电机集成系统的基本特征和主要内容;分析变频电源对交流电机的影响，介绍变频调速电机设计概念及谐波分析和可控优化运行;介绍电力电子变换器中的半导体器件及其主回路特点，重点介绍多电平主回路结构;介绍与多电平结构相对应的PWM控制方法及其变异;着重分析系统中的部件匹配和集成特性效应;讨论系统高精度闭环控制方法;分析集成系统中的数据通信;从能量变换的角度，讨论集成系统中的电磁关系、电磁能量变换建模以及电磁能量传输等。

《电力电子与电机系统集成分析基础》可供从事电力传动系统设计、研究、运行和管理等工作的专业科技人员、技术管理人员以及高等院校有关专业的教师与学生参考使用，《电力电子与电机系统集成分析基础》可作为电力电子与电力传动学科的研究生教材。