電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)

前言

　　當(dāng)今世界正迅速地從工業(yè)化社會(huì)向信息化社會(huì)過(guò)渡，傳統(tǒng)意義上的制造業(yè)在經(jīng)歷著日益深刻的變化。許多一度被稱為“夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè)”的行業(yè)在吸收、溶入了大批新技術(shù)之后，又呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢(shì)頭，這在電力傳動(dòng)行業(yè)體現(xiàn)得尤為突出。包括現(xiàn)代電力電子、計(jì)算機(jī)控制、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、信息采集與交換網(wǎng)絡(luò)及新型電工材料等在內(nèi)的一系列新技術(shù)的采用，極大地促進(jìn)了電力傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。　　“電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)”正是在這樣的發(fā)展背景下形成的學(xué)科研究方向。它以現(xiàn)代電力傳動(dòng)系統(tǒng)中的集成化、智能化、通用化和信息化為主要內(nèi)容，以綜合運(yùn)用機(jī)電能量轉(zhuǎn)換、電力電子、微電子和通信控制等多種學(xué)科的方法為其特征。隨著該學(xué)科方向的深入研究，大大地?cái)U(kuò)展了電力傳動(dòng)學(xué)科的內(nèi)涵和外延，完善和提升現(xiàn)代電力傳動(dòng)學(xué)理論與方法，為提高電力傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合效用，促進(jìn)電力傳動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供更有效的理論指導(dǎo)和豐富的技術(shù)儲(chǔ)備。　　清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系自1998年以來(lái)開(kāi)始了電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的研究。先后研究了變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)和分析方法、高次諧波的影響以及電機(jī)高頻等效模型、系統(tǒng)故障容錯(cuò)、任意波形電力電子功率放大器、多電平變頻電源、矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的分析比較、功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用特性研究等，解決了和正在研究解決系統(tǒng)集成中的一些關(guān)鍵性問(wèn)題，如：變頻電源與電機(jī)集成設(shè)計(jì)、集成系統(tǒng)安全工作區(qū)、基于脈沖，及其脈沖序列的閉環(huán)控制、集成系統(tǒng)全時(shí)域暫態(tài)過(guò)程分析和建模、系統(tǒng)瞬態(tài)電磁能量平衡等，取得了一些有意義的研究成果。

內(nèi)容概要

　　《電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)》從電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成的角度出發(fā)，將電機(jī)、電力電子變換及其控制有機(jī)地結(jié)合在一起進(jìn)行分析和應(yīng)用。《電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)》共分8章，主要介紹電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)的基本特征和主要內(nèi)容；分析變頻電源對(duì)交流電機(jī)的影響，介紹變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)概念及諧波分析和可控優(yōu)化運(yùn)行；介紹電力電子變換器中的半導(dǎo)體器件及其主回路特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹多電平主回路結(jié)構(gòu)；介紹與多電平結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的PWM控制方法及其變異；著重分析系統(tǒng)中的部件匹配和集成特性效應(yīng)；討論系統(tǒng)高精度閉環(huán)控制方法；分析集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信；從能量變換的角度，討論集成系統(tǒng)中的電磁關(guān)系、電磁能量變換建模以及電磁能量傳輸?shù)取！　　峨娏﹄娮优c電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)》可供從事電力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研究、運(yùn)行和管理等工作的專業(yè)科技人員、技術(shù)管理人員以及高等院校有關(guān)專業(yè)的教師與學(xué)生參考使用，《電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成分析基礎(chǔ)》可作為電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)科的研究生教材。

作者簡(jiǎn)介

　　趙爭(zhēng)鳴，清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系教授、博導(dǎo)、副系主任，電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。1991年獲清華大學(xué)電機(jī)系博士學(xué)位，留校任教。1994至1997年分別在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)和加州大學(xué)歐文分校進(jìn)行搏士后研究工作。主要研究領(lǐng)域：電力電子與電機(jī)控制集成系統(tǒng)、大容量電力電子變換器與太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用等。主持的科研項(xiàng)目先后獲中國(guó)高校科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、國(guó)家教育部科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、北京市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和三等獎(jiǎng)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)，軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)和中國(guó)華電科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。參與編寫(xiě)的圖書(shū)有：《中國(guó)電力大百科全書(shū)一電力系統(tǒng)卷》（中國(guó)電力出版社1995年）、《電工高新技術(shù)叢書(shū)一第六分冊(cè)》（機(jī)械工業(yè)出版社2000年）、《中國(guó)電機(jī)系統(tǒng)能源效率與市場(chǎng)潛力分析》（機(jī)械工業(yè)出版社2001年）、《太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用》（科學(xué)出版社2005年）、《電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)（第3版）》（機(jī)械工業(yè)出版社2009年）等?！　≡?qiáng)，清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系副研究員。2004年獲清華大學(xué)電機(jī)系博士學(xué)位，留校任教。主要研究方向；電力電子與電機(jī)集成系統(tǒng)、太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用、大容量電力電子變換器等。參與的科研項(xiàng)目先后獲中國(guó)高校科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國(guó)電力科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)、北京市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)、中國(guó)華電科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。參與編寫(xiě)的圖書(shū)有： 《太陽(yáng)能光伏發(fā)電及其應(yīng)用》（科學(xué)出版社，2005年）、《電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)（第3版）》（機(jī)械工業(yè)出版社，2009）。

書(shū)籍目錄

前言本書(shū)常用符號(hào)及含義第1章 電力電子與電機(jī)系統(tǒng)集成概述1.1 電力傳動(dòng)基礎(chǔ)1.1.1 麥克斯韋電磁定律1.1.2 電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理1.1.3 電機(jī)的機(jī)械特性1.2 可變電源下的電力傳動(dòng)1.2.1 VVVF控制方法1.2.2 矢量控制1.2.3 PWM調(diào)制與諧波分量1.3 集成系統(tǒng)的特征及內(nèi)容1.3.1 集成實(shí)例分析1.3.2 集成系統(tǒng)的特征1.3.3 集成系統(tǒng)的基本內(nèi)容參考文獻(xiàn)第2章 變頻電源驅(qū)動(dòng)下的電機(jī)特性2.1 變頻調(diào)速對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響2.1.1 電機(jī)機(jī)械特性的變化2.1.2 電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)分布的變化2.1.3 電機(jī)的電流諧波和電壓諧波增加2.1.4 電流和磁場(chǎng)矢量控制2.2 變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)主要概念2.2.1 變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)理念2.2.2 變頻調(diào)速電機(jī)設(shè)計(jì)公式2.3 變頻調(diào)速電機(jī)中的諧波分析2.3.1 變頻調(diào)速電機(jī)的分析模型2.3.2 諧波電流對(duì)磁場(chǎng)的影響及磁場(chǎng)分析2.3.3 諧波對(duì)損耗的影響及計(jì)算方法2.3.4 高次諧波對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的影響分析2.4 閉環(huán)控制中的電機(jī)運(yùn)行2.4.1 矢量控制中電機(jī)運(yùn)行性能的分析模型2.4.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)中電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)分析2.4.3 閉環(huán)控制下的電機(jī)性能分析2.4.4 最優(yōu)轉(zhuǎn)差率控制與電機(jī)運(yùn)行點(diǎn)的匹配2.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 電力電子器件與變換器3.1 電力半導(dǎo)體器件的分類3.1.1 按照電力半導(dǎo)體器件發(fā)展來(lái)分類3.1.2 按照電力半導(dǎo)體器件控制方式來(lái)分類3.1.3 按照電力半導(dǎo)體器件驅(qū)動(dòng)方式分類3.1.4 按照電力半導(dǎo)體器件中載流子性質(zhì)分類3.2 電力半導(dǎo)體器件的工作原理及特性3.2.1 單PN結(jié)器件（二極管）的工作原理與特性3.2.2 多PN結(jié)器件的工作原理3.2.3 多PN結(jié)器件的特性3.3 電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.3.1 變換器理想開(kāi)關(guān)的定義3.3.2 變換器的基本拓?fù)鋯卧?.3.3 基于器件特性的變換器基本拓?fù)鋯卧?.3.4 兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3.4 多電平電力電子變換器3.4.1 多電平變換器基礎(chǔ)3.4.2 二極管鉗位式多電平變換器3.4.3 電容懸浮式多電平變換器3.4.4 級(jí)聯(lián)式多電平變換器3.4.5 多電平統(tǒng)一變換拓?fù)浼八矐B(tài)換流回路參考文獻(xiàn)第4章 PWM控制及其變異4.1 變換器的PWM控制方法及多電平SPWM4.1.1 PWM的基本概念4.1.2 載波PWM4.2 空間矢量PWM4.2.1 SVPWM基本原理4.2.2 SVPWM矢量合成4.2.3 SVPWM開(kāi)關(guān)順序4.2.4 多電平SVPWM4.3 其他類型的PWM方法4.3.1 特定消諧PWM4.3.2 具有反饋環(huán)節(jié)的PWM4.3.3 單周期控制(One-cyclecontrol)4.4 PWM波形的死區(qū)、最小脈寬和異常脈沖4.4.1 死區(qū)及最小脈寬4.4.2 信號(hào)脈沖與功率脈沖參考文獻(xiàn)第5章 集成系統(tǒng)特性分析5.1 電機(jī)與負(fù)載集成5.1.1 典型負(fù)載及其數(shù)學(xué)描述5.1.2 電機(jī)與負(fù)載參數(shù)的匹配5.2 電機(jī)與變頻電源集成5.2.1 變頻調(diào)速下的電機(jī)效率5.2.2 變頻電源參數(shù)及其開(kāi)關(guān)損耗5.2.3 集成系統(tǒng)的熱分析5.2.4 集成系統(tǒng)的過(guò)載保護(hù)5.3 高頻模型及其分析5.3.1 高頻模型的基本原理5.3.2 高頻等效電路5.4 集成系統(tǒng)的故障容錯(cuò)5.4.1 容錯(cuò)策略的基本原理.5.4.2 故障容錯(cuò)的應(yīng)用5.5 集成系統(tǒng)分析的特點(diǎn)參考文獻(xiàn)第6章 系統(tǒng)的閉環(huán)控制6.1 異步電機(jī)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型6.1.1 基本假設(shè)與物理模型6.1.2 動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型6.2 矢量控制6.2.1 矢量控制的基本原理6.2.2 矢量控制系統(tǒng)的類型6.2.3 磁通觀測(cè)器6.3 直接轉(zhuǎn)矩控制6.3.1 直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理6.3.2 基本直接轉(zhuǎn)矩控制6.3.3 磁鏈觀測(cè)6.4 無(wú)速度傳感器控制6.4.1 直接計(jì)算法6.4.2 模型參考自適應(yīng)法6.4.3 觀測(cè)器6.4.4 其他方法6.5 數(shù)字濾波器在磁鏈觀測(cè)中的應(yīng)用6.5.1 有限沖擊響應(yīng)濾波器的工作原理6.5.2 使用有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的定子磁鏈觀測(cè)器6.5.3 有限沖擊響應(yīng)數(shù)字濾波器的效果6.6 矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制的魯棒性分析6.6.1 關(guān)于魯棒性的簡(jiǎn)單說(shuō)明6.6.2 變頻調(diào)速系統(tǒng)的魯棒性分析6.6.3 速度傳感器對(duì)控制系統(tǒng)魯棒性的影響6.7 矢量控制與直接轉(zhuǎn)矩控制試驗(yàn)比較6.7.1 試驗(yàn)條件6.7.2 試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)6.7.3 試驗(yàn)原理分析6.7.4 試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析參考文獻(xiàn)第7章 控制與檢測(cè)信號(hào)的數(shù)據(jù)通信7.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及分類7.1.1 通信信號(hào)及其特點(diǎn)7.1.2 集成系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)型式7.1.3 通信的可靠性與容錯(cuò)7.2 集成系統(tǒng)信號(hào)數(shù)據(jù)流特點(diǎn)7.2.1 控制系統(tǒng)的特征7.2.2 控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流模型7.3 通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)7.3.1 通信媒質(zhì)的選取7.3.2 光纖CAN總線網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)7.3.3 串行Rs-422通信硬件設(shè)計(jì)7.3.4 雙口RAM通信的硬件設(shè)計(jì)7.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7.4.1 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)7.4.2 CAN總線通信協(xié)議與軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)7.4.3 RS-232通信協(xié)議與軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)7.4.4 RS-422通信協(xié)議與軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)7.4.5 雙口RAM通信協(xié)議與軟件的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)7.4.6 通信容錯(cuò)策略7.5 多種通信系統(tǒng)協(xié)同實(shí)現(xiàn)的綜合控制7.5.1 協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)步驟7.5.2 全局?jǐn)?shù)據(jù)更新7.5.3 外圍控制功能參考文獻(xiàn)第8章 集成系統(tǒng)中的能量變換8.1 集成系統(tǒng)中的電磁能量8.1.1 電磁關(guān)系特點(diǎn)8.1.2 電路理論分析的局限性8.1.3 面向電磁能量處理的系統(tǒng)集成8.2 電磁能量變換建模8.2.1 集成系統(tǒng)的物理描述8.2.2 系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模8.2.3 開(kāi)關(guān)器件中的電磁能量變換8.2.4 儲(chǔ)能元件中的電磁能量變換8.2.5 連接件中的電磁能量分析8.3 變換器中的電磁能量傳輸8.3.1 材料特性對(duì)電磁傳輸?shù)挠绊?.3.2 變換器中的能量傳輸8.3.3 電磁波形在傳輸中的畸變及損耗8.4 基于電磁能量變換的集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展參考文獻(xiàn)

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