PWM模式與電力電子變換技術

《PWM模式與電力電子變換技術》是2016年9月中國電力出版社出版的圖書，作者是陳國呈。

基本介紹

• 中文名：PWM模式與電力電子變換技術
• 作者：陳國呈
• 出版社：中國電力出版社 
• 出版時間：2016年9月1日
• ISBN：9787512395107 

內容簡介

PWM模式與電力電子變換技術以PWM 模式為先導，展開討論了VVVF變頻調速中的若干技術問題、無刷直流電動機調速控制、矩陣式變換器、異步電動機矢量控制與直接轉矩控制、永磁同步電動機驅動控制、三相軟開關電力變換器、高壓大容量逆變器、電壓型PWM 整流器、有源電力濾波器、光伏發電逆變控制器、風力發電逆變控制器、微電網、智慧型電網與智慧型社區等。書中除了基本原理的闡述和推導外，還附有仿真和實驗結果，透過實驗現象，分析問題本質，根據存在問題，提出解決問題方法。儘量從物理意義上分析有關問題的內涵，理論聯繫實際，由淺入深，深入淺出，內容豐富、新穎。

非常適合於電氣自動化、電力電子與電力傳動專業的研究生作為教材，以及工程技術人員、研究人員、大專院校教師、高年級本科學生作為參考書。

目錄

前言

第1章　犘犠犕模式及其最佳化 1

1．1　PWM的調製方式與輸出電壓波形 1

1．1．1　PWM調製方式 1

1．1．2　脈寬調製的輸出電壓波形 2

1．2　基於等腰三角載波的正弦波PWM

的頻譜分析 3

1．2．1　正弦波PWM （SPWM） 3

1．2．2　正弦波PWM的頻譜分析 4

1．3　準最優PWM 10

1．4　選擇諧波消去法

SHEPWM 10

1．5　基於等腰三角載波的鞍形

波PWM 14

1．5．1　鞍形波的由來及其操作方法 14

1．5．2　SAPWM的頻譜分析 17

1．6　基於等腰三角載波的開關次數

最少調製波的PWM 27

1．6．1　開關次數最少調製波的生成

方法 27

1．6．2　開關損耗最小PWM 的諧波

特性 28

1．7　基於鋸齒載波的SPWM 31

1．7．1　單相SPWM的頻譜分析 31

1．7．2　三相SPWM的數學分析 35

1．8　基於鋸齒載波的SAPWM 38

1．8．1　單相SAPWM的數學淚付踏分析 38

1．8．2　三相SAPWM的數學分析 40

1．8．3　結論 42

1．9　基於鋸齒載波的最少開關次數調製

波的PWM 42

1．9．1　最少開關次數調製波的輸

出線電壓 42

1．9．2　周期函式的雙重傅立葉級

數展開式 43

1．9．3　最少開關次數調製波的三相

PWM頻譜特性 44

1．9．4　頻譜歸納與分析 51

1．9．5　結論 53

1．10　兩相調製PWM模式 54

1．11　幾種PWM模式的統一 56

1．11．1　μ=0或μ=1 56

1．11．2　μ=0．5 59

1．11．3　μ為動態分布 60

第2章　犞犞犞犉變頻調速中的若干

技術問題 63

2．1　異步電動機變頻調速原理與

控制方式 63

2．1．1　異步電動機變頻調速原理 63

2．1．2　變頻器的控制方式 68

2．1．3　風機水泵的節能原理 69

2．2　主迴路的換相過程與輸出

電流波形失真 71

2．2．1　PWM模式與換相關係 71

2．2．2　變頻器輸出電流波形的失真

及其補償 77

2．2．3　相位角預測與死區時間補償 82

2．3　變頻器引發的諧波污染及其

抑制對策 86

2．只承只鞏3．1　分布參數為純電阻時的相

電流數值分析 86

2．3．2　分布參數含電感時的相電流

數值分析 89

2．3．3　高次諧波干擾及其抑制方法 91

2．4　交流變頻調速中的制動狀態 96

2．4．1　發電機狀態下的能量轉換

問題 96

2．4．2　異步電動機的能量再生與制動 102

第3章　無刷直流電動機調速控制 117

3．1　無刷直流電動機的基本結構 117

3．捉員2　無刷直流電動機的工作原理 118

3．2．1　三相半控電路 118

3．2．2　三相 聯結全控電路 122

3．2．3　三相聯結全控電路 125

3．3　多相電動機控制舉例 127

3．3．1　二三通電方式 127

3．3．2　五五通電方式 128

3．3．3　五四通電方式 129

3．4　無刷直流電動機在變頻空調

中的套用 130

3．4．1　空調器的調溫控制原理 130

3．4．2　反電動勢三次諧波積分檢

測法 131

3．匪危旋恥拜煮4．3　幾種PWM調製模式 136

3．4．4　不同PWM 調製模式對電磁

轉矩影響 137

3．4．5　直流電壓可調型PWM

控制 142

3．4．6　漏電流的補償電路原理 145

第4章　矩陣式變換器 147

4．1　矩陣式變換器的結構 147

4．2　矩陣式變換器的雙空間矢量

調製原理 147

4．3　等效交直訂棵己交結構的空間

矢量調製 151

4．4　矩陣式變換器的PWM 數字

實現方法 158

4．5　矩陣式變換器雙向開關的實現

與四步半軟換流 160

4．6　四步換流承愚雄牛對輸出性能的影響及

其補償 164

4．7　雙向開關的吸收與保護電路 166

4．8　矩陣式變換器的輸入濾波器設計 167

第5章　異步電動機矢量控制與

直接轉矩控制 171

5．1　三相異步電動機的數學模型 171

5．2　坐標變換與變換矩陣 177

5．3　三相異步電動機在兩相同步旋轉

坐標系下的數學模型 180

5．4　異步電動機轉子磁通定向矢量控制 187

5．5　基於動態模型按定子磁鏈控制的

直接轉矩控制系統 193

第6章　永磁同步電動機驅動控制 199

6．1　永磁同步電動機的轉子結構 199

6．2　永磁同步電動機的數學模型 200

6．2．1　永磁同步電動機在αβ靜止坐標系

下的數學模型 200

6．2．2　永磁同步電動機在dq旋轉坐標系

下的數學模型 201

6．2．3　表面凸出式永磁同步電動機

轉矩的產生 203

6．3　基於轉子磁場定向的永磁同步電動機

矢量控制系統 204

6．4　永磁同步電動機直接轉矩控制方式 206

6．4．1　滯環比較控制與SVPWM 控制

的比較 206

6．4．2　定子磁鏈的計算模型 209

6．4．3　預期電壓計算模型 211

6．4．4　電磁轉矩與定子磁鏈幅值及

負載角的關係 213

6．5　永磁同步電動機轉子位置檢測方法 217

6．5．1　有轉子位置感測器的轉子位置

檢測方法 217

6．5．2　無位置感測器的轉子位置

檢測方法 229

第7章　三相軟開關電力變換器 245

7．1　幾種軟開關電路 245

7．1．1　高效準諧振DC環節逆變器 245

7．1．2　並聯諧振DC環節逆變器 246

7．1．3　輔助準諧振變流器 249

7．1．4　準諧振ZVS環節逆變器 251

7．2　一個典型的三相軟開關PWM

變頻器 254

7．2．1　電路結構與動作分析 254

7．2．2　輸出特性分析 256

7．2．3　軟開關變頻器主電路的數學

解析 258

7．3　三相軟開關高功率因數PWM

變頻器 266

7．3．1　雙PWM變頻器電路結構 266

7．3．2　軟開關動作分析 267

7．3．3　雙PWM 變頻器的控制方法及

實驗結果 268

7．4　一種高效率ZVT三相PWM

逆變器 269

7．4．1　一種高效率ZVT三相PWM 逆變器

拓撲結構 269

7．4．2　控制方式 269

7．4．3　動作模式分析 271

7．4．4　實驗結果與分析 273

第8章　高壓大容量逆變器 275

8．1　IGBT直接串聯技術 275

8．2　多重化逆變技術 279

8．2．1　電壓型多重逆變器 280

8．2．2　電流型多重逆變器 298

8．3　多電平逆變技術 302

8．3．1　多電平逆變器原理 302

8．3．2　三電平逆變器的

PWM控制 302

8．3．3　三電平逆變器的空間電壓

矢量控制 306

8．3．4　中點電壓波動機理的分析 312

8．3．5　電容中點電壓平衡控制 318

第9章　電壓型犘犠犕整流器 325

9．1　整流器的PWM調製 325

9．2　主電路的工作模式 326

9．3　PWM整流器的調相原理 329

9．4　主電路結構及其工作原理 330

9．5　相幅調節方式 332

9．6　基本特性的數學分析 337

9．7　整流器的傳輸功率及穩定性 343

9．8　整流器的實現 347

第10章　有源電力濾波器 351

10．1　有源電力濾波器的基本原理 351

10．2　有源電力濾波器電路 352

10．2．1　補償電流指令值的檢測方法 352

10．2．2　補償電流的產生方法 359

10．2．3　有源電力濾波器的損耗補償 362

第11章　光伏發電逆變控制器 364

11．1　光伏電池的基本原理 364

11．1．1　半導體材料的原子結構與

晶格結構 364

11．1．2　載流子 366

11．1．3　半導體的PN結 367

11．2　光伏電池的特性和參數 369

11．2．1　光伏電池的特性 369

11．2．2　光伏電池的主要參數 372

11．2．3　典型的光伏電池輸出特性 375

11．3　蓄電池的充電過程 376

11．3．1　鉛酸蓄電池 376

11．3．2　鎘鎳蓄電池 378

11．3．3　安全性 379

11．3．4　儲能蓄電池的幾個重要參數 380

11．3．5　蓄電池充電的控制策略 381

11．4　利用導抗變換的光伏發電逆變器 385

11．4．1　導抗變換器的理論基礎 386

11．4．2　單相併網逆變器 387

11．4．3　使用裂相逆變的三相併網

逆變器 394

11．5　一種微型單相光伏併網逆變器 398

11．5．1　系統結構原理 398

11．5．2　控制方法 399

11．5．3　仿真結果 401

11．6　高/低電壓穿越測試要求 404

11．7　孤島效應問題 406

11．7．1　孤島效應的發生 406

11．7．2　傳統孤島效應檢測法 406

第12章　風力發電逆變控制器 414

12．1　風力發電技術概述 414

12．1．1　風力機的類型 414

12．1．2　風力機的基本特性 415

12．1．3　風力機的功率調節 420

12．2　繞線轉子異步電動機雙饋（串級）

調速原理 421

12．2．1　次同步轉速下作電動運行 423

12．2．2　反轉時作倒拉制動運行 424

12．2．3　超同步轉速下作回饋

制動運行 424

12．2．4　超同步轉速下作電動運行 425

12．2．5　次同步轉速下反接回饋

制動運行 425

12．2．6　轉子勵磁超同步轉速下

發電運行 426

12．2．7　轉子勵磁次同步轉速下發

電運行 426

12．3　恆速恆頻風力發電 427

12．3．1　同步發電機發電 428

12．3．2　籠型感應發電機發電 432

12．4　變速恆頻風力發電逆變器併網

控制技術 437

12．4．1　直驅式永磁同步機風力

發電 437

12．4．2　雙饋感應電機風力發電 446

12．4．3　結束語 457

第13章　微電網、智慧型電網與

智慧型社區 458

13．1　智慧型電網 458

13．2　智慧型社區概述 458

13．2．1　智慧型社區 458

13．2．2　智慧型社區架構 459

13．3　新能源社會系統與管理 461

13．3．1　新一代能源社會系統 461

13．3．2　社區能源管理 462

13．3．3　用戶能源管理 464

13．3．4　海外項目的拓展 465

13．4　孤島的微電網系統 466

13．4．1　孤島上的微電網 466

13．4．2　孤島微電網的基本結構 467

13．4．3　小規模孤島的控制功能 468

13．4．4　高速頻率檢測裝置 469

13．5　微電網的電力電子技術 469

13．5．1　併網所需功能 469

13．5．2　孤島運行檢測功能 469

13．5．3　發電波動及可再生能源波動

的應對功能 470

13．5．4　微電網上的電力電子技術 470

13．5．5　智慧型電網電力電子的未來 472

附錄 475

參考文獻 493

1．9．4　頻譜歸納與分析 51

1．9．5　結論 53

1．10　兩相調製PWM模式 54

1．11　幾種PWM模式的統一 56

1．11．1　μ=0或μ=1 56

1．11．2　μ=0．5 59

1．11．3　μ為動態分布 60

第2章　犞犞犞犉變頻調速中的若干

技術問題 63

2．1　異步電動機變頻調速原理與

控制方式 63

2．1．1　異步電動機變頻調速原理 63

2．1．2　變頻器的控制方式 68

2．1．3　風機水泵的節能原理 69

2．2　主迴路的換相過程與輸出

電流波形失真 71

2．2．1　PWM模式與換相關係 71

2．2．2　變頻器輸出電流波形的失真

及其補償 77

2．2．3　相位角預測與死區時間補償 82

2．3　變頻器引發的諧波污染及其

抑制對策 86

2．3．1　分布參數為純電阻時的相

電流數值分析 86

2．3．2　分布參數含電感時的相電流

數值分析 89

2．3．3　高次諧波干擾及其抑制方法 91

2．4　交流變頻調速中的制動狀態 96

2．4．1　發電機狀態下的能量轉換

問題 96

2．4．2　異步電動機的能量再生與制動 102

第3章　無刷直流電動機調速控制 117

3．1　無刷直流電動機的基本結構 117

3．2　無刷直流電動機的工作原理 118

3．2．1　三相半控電路 118

3．2．2　三相 聯結全控電路 122

3．2．3　三相聯結全控電路 125

3．3　多相電動機控制舉例 127

3．3．1　二三通電方式 127

3．3．2　五五通電方式 128

3．3．3　五四通電方式 129

3．4　無刷直流電動機在變頻空調

中的套用 130

3．4．1　空調器的調溫控制原理 130

3．4．2　反電動勢三次諧波積分檢

測法 131

3．4．3　幾種PWM調製模式 136

3．4．4　不同PWM 調製模式對電磁

轉矩影響 137

3．4．5　直流電壓可調型PWM

控制 142

3．4．6　漏電流的補償電路原理 145

第4章　矩陣式變換器 147

4．1　矩陣式變換器的結構 147

4．2　矩陣式變換器的雙空間矢量

調製原理 147

4．3　等效交直交結構的空間

矢量調製 151

4．4　矩陣式變換器的PWM 數字

實現方法 158

4．5　矩陣式變換器雙向開關的實現

與四步半軟換流 160

4．6　四步換流對輸出性能的影響及

其補償 164

4．7　雙向開關的吸收與保護電路 166

4．8　矩陣式變換器的輸入濾波器設計 167

第5章　異步電動機矢量控制與

直接轉矩控制 171

5．1　三相異步電動機的數學模型 171

5．2　坐標變換與變換矩陣 177

5．3　三相異步電動機在兩相同步旋轉

坐標系下的數學模型 180

5．4　異步電動機轉子磁通定向矢量控制 187

5．5　基於動態模型按定子磁鏈控制的

直接轉矩控制系統 193

第6章　永磁同步電動機驅動控制 199

6．1　永磁同步電動機的轉子結構 199

6．2　永磁同步電動機的數學模型 200

6．2．1　永磁同步電動機在αβ靜止坐標系

下的數學模型 200

6．2．2　永磁同步電動機在dq旋轉坐標系

下的數學模型 201

6．2．3　表面凸出式永磁同步電動機

轉矩的產生 203

6．3　基於轉子磁場定向的永磁同步電動機

矢量控制系統 204

6．4　永磁同步電動機直接轉矩控制方式 206

6．4．1　滯環比較控制與SVPWM 控制

的比較 206

6．4．2　定子磁鏈的計算模型 209

6．4．3　預期電壓計算模型 211

6．4．4　電磁轉矩與定子磁鏈幅值及

負載角的關係 213

6．5　永磁同步電動機轉子位置檢測方法 217

6．5．1　有轉子位置感測器的轉子位置

檢測方法 217

6．5．2　無位置感測器的轉子位置

檢測方法 229

第7章　三相軟開關電力變換器 245

7．1　幾種軟開關電路 245

7．1．1　高效準諧振DC環節逆變器 245

7．1．2　並聯諧振DC環節逆變器 246

7．1．3　輔助準諧振變流器 249

7．1．4　準諧振ZVS環節逆變器 251

7．2　一個典型的三相軟開關PWM

變頻器 254

7．2．1　電路結構與動作分析 254

7．2．2　輸出特性分析 256

7．2．3　軟開關變頻器主電路的數學

解析 258

7．3　三相軟開關高功率因數PWM

變頻器 266

7．3．1　雙PWM變頻器電路結構 266

7．3．2　軟開關動作分析 267

7．3．3　雙PWM 變頻器的控制方法及

實驗結果 268

7．4　一種高效率ZVT三相PWM

逆變器 269

7．4．1　一種高效率ZVT三相PWM 逆變器

拓撲結構 269

7．4．2　控制方式 269

7．4．3　動作模式分析 271

7．4．4　實驗結果與分析 273

第8章　高壓大容量逆變器 275

8．1　IGBT直接串聯技術 275

8．2　多重化逆變技術 279

8．2．1　電壓型多重逆變器 280

8．2．2　電流型多重逆變器 298

8．3　多電平逆變技術 302

8．3．1　多電平逆變器原理 302

8．3．2　三電平逆變器的

PWM控制 302

8．3．3　三電平逆變器的空間電壓

矢量控制 306

8．3．4　中點電壓波動機理的分析 312

8．3．5　電容中點電壓平衡控制 318

第9章　電壓型犘犠犕整流器 325

9．1　整流器的PWM調製 325

9．2　主電路的工作模式 326

9．3　PWM整流器的調相原理 329

9．4　主電路結構及其工作原理 330

9．5　相幅調節方式 332

9．6　基本特性的數學分析 337

9．7　整流器的傳輸功率及穩定性 343

9．8　整流器的實現 347

第10章　有源電力濾波器 351

10．1　有源電力濾波器的基本原理 351

10．2　有源電力濾波器電路 352

10．2．1　補償電流指令值的檢測方法 352

10．2．2　補償電流的產生方法 359

10．2．3　有源電力濾波器的損耗補償 362

第11章　光伏發電逆變控制器 364

11．1　光伏電池的基本原理 364

11．1．1　半導體材料的原子結構與

晶格結構 364

11．1．2　載流子 366

11．1．3　半導體的PN結 367

11．2　光伏電池的特性和參數 369

11．2．1　光伏電池的特性 369

11．2．2　光伏電池的主要參數 372

11．2．3　典型的光伏電池輸出特性 375

11．3　蓄電池的充電過程 376

11．3．1　鉛酸蓄電池 376

11．3．2　鎘鎳蓄電池 378

11．3．3　安全性 379

11．3．4　儲能蓄電池的幾個重要參數 380

11．3．5　蓄電池充電的控制策略 381

11．4　利用導抗變換的光伏發電逆變器 385

11．4．1　導抗變換器的理論基礎 386

11．4．2　單相併網逆變器 387

11．4．3　使用裂相逆變的三相併網

逆變器 394

11．5　一種微型單相光伏併網逆變器 398

11．5．1　系統結構原理 398

11．5．2　控制方法 399

11．5．3　仿真結果 401

11．6　高/低電壓穿越測試要求 404

11．7　孤島效應問題 406

11．7．1　孤島效應的發生 406

11．7．2　傳統孤島效應檢測法 406

第12章　風力發電逆變控制器 414

12．1　風力發電技術概述 414

12．1．1　風力機的類型 414

12．1．2　風力機的基本特性 415

12．1．3　風力機的功率調節 420

12．2　繞線轉子異步電動機雙饋（串級）

調速原理 421

12．2．1　次同步轉速下作電動運行 423

12．2．2　反轉時作倒拉制動運行 424

12．2．3　超同步轉速下作回饋

制動運行 424

12．2．4　超同步轉速下作電動運行 425

12．2．5　次同步轉速下反接回饋

制動運行 425

12．2．6　轉子勵磁超同步轉速下

發電運行 426

12．2．7　轉子勵磁次同步轉速下發

電運行 426

12．3　恆速恆頻風力發電 427

12．3．1　同步發電機發電 428

12．3．2　籠型感應發電機發電 432

12．4　變速恆頻風力發電逆變器併網

控制技術 437

12．4．1　直驅式永磁同步機風力

發電 437

12．4．2　雙饋感應電機風力發電 446

12．4．3　結束語 457

第13章　微電網、智慧型電網與

智慧型社區 458

13．1　智慧型電網 458

13．2　智慧型社區概述 458

13．2．1　智慧型社區 458

13．2．2　智慧型社區架構 459

13．3　新能源社會系統與管理 461

13．3．1　新一代能源社會系統 461

13．3．2　社區能源管理 462

13．3．3　用戶能源管理 464

13．3．4　海外項目的拓展 465

13．4　孤島的微電網系統 466

13．4．1　孤島上的微電網 466

13．4．2　孤島微電網的基本結構 467

13．4．3　小規模孤島的控制功能 468

13．4．4　高速頻率檢測裝置 469

13．5　微電網的電力電子技術 469

13．5．1　併網所需功能 469

13．5．2　孤島運行檢測功能 469

13．5．3　發電波動及可再生能源波動

的應對功能 470

13．5．4　微電網上的電力電子技術 470

13．5．5　智慧型電網電力電子的未來 472

附錄 475

參考文獻 493