具体描述
本书以PWM变频调速技术为核心，讨论了PWM变频原理、PWM模式优化、无刷直流电动机变频调速、IGBT功率器件及其驱动电路、矢量控制、直接转矩控制、主回路的变相控制、输出电流波形失真与补偿、变频器输入输出电流波形特征、能量再生与制动问题、高压大容量逆变技术、PWM整流技术、有源电力滤波技术、单相软开关变频技术、太阳能发电、风力发电等相关理论问题。理论联系实际，内容新颖，是本书编写的突出特点。
本书非常适合于从事电气自动化、电力电子与电力传动专业的工程技术人员、研究人员、大专院校的师生、研究生及高年级本科生作为本专业教材和教学参考书。
现代电力电子系统中的关键技术：高频开关与功率变换 本书聚焦于电力电子领域的前沿动态，深入剖析了在现代能源转换、驱动控制以及不间断电源（UPS）等应用中占据核心地位的高频开关技术和先进的功率变换拓扑结构。 本书旨在为电力电子工程师、电气自动化研究人员以及相关专业的高年级本科生和研究生提供一本内容详实、理论与实践紧密结合的参考资料。我们不探讨特定领域如PWM逆变器在特定拓扑中的具体应用，而是将重点放在支撑整个电力电子系统性能的通用基础理论、器件选择标准以及系统级设计考量上。 第一部分：电力电子基础与器件的深刻理解 本部分奠定了理解现代功率变换系统的理论基石，强调了器件性能对系统效率和可靠性的决定性影响。 1. 功率半导体器件的演进与特性分析 电力电子系统的性能上限，在很大程度上受限于所使用的半导体开关器件。本书将详细回顾和分析当前主流功率器件的物理工作原理、优缺点及适用场景。 1.1 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）与金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的深入对比： 重点分析开关损耗（$E_{on}$ 和 $E_{off}$）、导通损耗 ($R_{DS(on)}$ 或 $V_{CE(sat)}$) 在不同工作频率和负载条件下的变化规律。特别探讨了在千赫兹至百千赫兹工作范围内的器件热管理策略，包括散热器设计、热阻计算以及热界面材料（TIM）的选择对器件寿命的影响。 1.2 新型宽禁带（WBG）器件的革命性影响： 详细阐述碳化硅（SiC）MOSFET和氮化镓（GaN）高电子迁移率晶体管（HEMT）的独特优势。重点剖析了它们在极高开关频率下展现出的极低开关损耗特性，以及在高温、高压环境下的鲁棒性。讨论了驱动电路设计如何适应这些新型器件的快速上升沿和下降沿，以避免米勒效应（Miller Effect）引起的误触发和振荡问题。 1.3 驱动电路的设计哲学： 功率器件的驱动绝非简单的电平转换。本章深入探讨了栅极驱动设计中的关键挑战，包括： 隔离技术： 光耦、磁耦和电容耦在噪声抑制和共模瞬态抗扰度（CMTI）方面的性能权衡。 死区时间（Dead Time）的精确控制： 讨论死区时间设置对输出波形谐波含量（THD）和续流二极管（或体二极管）反向恢复损耗的影响。 2. 基础开关电路拓扑的数学建模 在不涉及特定调制技术的前提下，本部分侧重于分析基本的开关电路（如半桥、全桥）在理想开关条件下的基本工作模式和能量传递关系。 2.1 线性化建模与状态空间描述： 建立开关电路在小信号扰动下的线性化模型，用于分析系统的动态响应特性，特别是环路带宽和稳定性裕度。 2.2 续流与钳位机制： 详细分析在不同负载（容性、感性）下，开关器件关断瞬间电流的路径，以及钳位二极管或开关管内部体二极管所承受的瞬态电压应力。 第二部分：先进的功率控制与系统集成挑战 本部分将关注如何通过精密的控制算法和优化的系统布局，实现高品质的功率流控制与系统级的高效运行。 3. 动态响应与闭环控制理论在功率系统中的应用 高效的功率系统必须具备快速、精确的扰动抑制和参考跟踪能力。 3.1 控制器的设计与实现： 经典控制方法回顾： 重点复习如何利用波特图、根轨迹等工具，对电流环和电压环进行频率特性分析和补偿器（PI/PID）设计。强调系统带宽与开关频率之间的关系。 现代控制理论的引入： 探讨使用先进的控制结构，例如基于滑模控制（SMC）或预测控制（MPC）来处理非线性负载和系统不确定性。 3.2 采样、量化与延迟分析： 讨论模拟信号到数字信号转换（ADC）的精度、采样频率对系统稳定性的制约，以及数字控制器运算延迟对整体控制回路相位的负面影响。 4. 磁性元件的集成与优化 磁性元件（电感器和变压器）是决定系统体积、重量和效率的关键瓶颈之一。 4.1 磁芯材料的选择与损耗计算： 深入分析铁氧体、坡莫合金等不同磁芯材料在特定频率范围内的磁滞损耗和涡流损耗。阐述如何通过优化磁通密度峰值来平衡磁芯的尺寸与温升。 4.2 绕组技术的革新： 探讨集肤效应（Skin Effect）和邻近效应（Proximity Effect）对绕组损耗的影响。详细介绍扁平线（Litz Wire）和箔式绕组在降低高频交越损耗中的应用优势。 4.3 磁元件的电磁兼容性（EMC）设计： 分析磁性元件漏感和耦合效应如何成为系统噪声的主要来源，并提出通过优化绕组结构（如三明治结构）来最小化共模和差模噪声辐射的工程方法。 第三部分：系统级热管理与可靠性工程 高性能功率电子系统必须伴随先进的热管理方案，以确保器件在极端环境下的长期可靠运行。 5. 传导、对流与辐射散热的设计 本书将超越简单的散热片计算，关注整体热阻路径的优化。 5.1 多物理场耦合分析： 介绍如何使用有限元分析（FEA）软件对功率模块的内部热点进行精确建模，预测关键结点（如芯片结温）的升温曲线。 5.2 冷却介质的选择与流场设计： 比较自然冷却、强制风冷（CFD分析）以及液冷技术（直接接触式和间接循环式）在不同功率密度应用中的适用性。重点分析气流组织对电子设备内部热点分布的非线性影响。 6. 寿命预测与环境适应性 可靠性是系统投入使用的前提。 6.1 疲劳模型与寿命预测： 探讨基于温度循环次数的焊点疲劳（如Coffin-Manson模型）在评估系统寿命中的应用。分析大功率运行下的热循环对键合线和封装材料的影响。 6.2 应对高压脉冲与浪涌保护： 详细讨论如何通过吸收电路（Snubber Circuits）的设计来限制开关瞬态过程中的电压过冲，保护半导体器件免受灾难性击穿。分析不同类型压敏电阻（MOV）和瞬态电压抑制器（TVS）在电路保护中的选型原则。 --- 总结而言，本书提供了一套系统性的、关注底层物理机制和工程实践的知识体系，它聚焦于如何从器件选择、拓扑分析到控制策略和热设计等多个维度，构建出高效、稳定、可靠的现代高频功率变换系统。
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前言第1章 变频调速原理1.1异步电动机变频调速运行原理1.2变频器的构成与功能1.3变频器的控制方式1.4风机水泵的节能原理第2章 PWM模式及其优化2.1PWM的调制方式2.2脉宽调制(PWM)2.2.1正弦波PWM(SPWM)2.2.2正弦波PWM的谐波特性2.2.3准最优PWM2.2.4开关损耗最小PWM2.2.5开关损耗最小PWM的谐波特性2.2.6SAPWM模式2.2.7SPWM与SAPWM的频谱比较2.2.8采用选择谐波消去法的SHEPWM2.2.9两相调制.PWM模式2.2.10跟踪型PWM变频2.3几种PWM模式的统一2.3.1U=O或U=12.3.2U=O.52.3.3U为动态分布第3章 无刷直流电动机调速控制3.1无刷直流电动机的基本结构3.2无刷直流电动机的工作原理3.2.1三相半控电路3.2.2三相丫联结全控电路3.2.3三相△联结全控电路3.3多相电动机控制举例3.3.1二三通电方式3.3.2五五通电方式3.3.3五四通电方式3.4无刷直流电动机在变频空调中的应用3.4.1空调器的调温控制原理3.4.2反电动势三次谐波积分检测法3.4.3几种PWM调制模式3.4.4不同PWM调制模式对电磁转矩影响3.4.5直流电压可调型PWM控制3.4.6漏电流的补偿电路原理第4章 矢量控制、直接转矩控制与矩阵式交一交变频调速4.1矢量控制变频调速4.1.1坐标变换4.1.2永磁同步电动机在两相旋转坐标系上的数学模型4.1.3基于转子磁场定向的永磁同步电动机矢量控制系统4.2直接转矩控制变频4.2.1直接转矩控制的数学模型4.2.2电压矢量对转矩的控制4.2.3直接转矩控制系统的基本结构4.3矩阵式变频第5章 主回路的换相过程与输出电流波形失真5.1PWM模式与换相关系5.1.1PWM控制模式5.1.2换相过程5.1.3推论5.2发电状态下电动机能量的传送5.2.1异步电动机的等效电路5.2.2异步发电机的相量图5.2.3变频调速下的异步电动机运行5.3变频器输出电流波形的失真及其补偿5.3.1交越失真5.3.2对Td影响的补偿5.3.3PWM模式不当引起的失真5.3.4相位角预测与死区时间补偿第6章 变频器引发的谐波污染及其抑制对策6.1分布参数为纯电阻时的相电流数值分析6.2分布参数含电感时的相电流数值分析6.3高次谐波干扰及其抑制方法6.4高频化造成的故障问题6.4.1电动机的杂散耦合6.4.2轴电压和轴承电流产生的原因6.4.3抑制漏电流和轴承电流的方法6.4.4双模电压滤波器6.4.5地线高频漏电流抑制6.4.6变频器谐波引发的串联谐振故障第7章 交流变频调速中的制动状态7.1发电机状态下的能量转换问题7.1.1相量轨迹与圆图7.1.2减速过程中的能量转换7.2异步电动机的能量再生与制动7.2.1异步电动机的能量再生7.2.2泵升电路的制动7.2.3可逆式整流器的制动7.2.4采用共用直流母线的多电动机传动7.2.5直流能耗制动7.2.6变频器直流能耗制动中应注意的问题第8章 高压大容量逆变器8.1IGBT、直接串联技术8.2多重化逆变技术8.2.1电压型多重逆变器8.2.2电流型多重逆变器8.3多电平逆变技术8.3.1多电平逆变器原理8.3.2三电平逆变器的三角载波PWM控制8.3.3三电平逆变器的空间电压矢量控制8.3.4中点电压波动机理的分析8.3.5电容中点电压平衡控制第9章 电压型PWM整流器9.1整流器的PWM调制9.2主电路的工作模式9.3PWM整流器的调相原理9.4主电路结构及其工作原理9.5相幅调节方式9.6基本特性的数学分析9.7整流器的传输功率及稳定性9.8整流器的实现第10章 有源电力滤波器10.1有源电力滤波器的基本原理10.2有源电力滤波器电路10.2.1补偿电流指令值的检测方法10.2.2补偿电流的产生方法10.2.3有源电力滤波器的损耗补偿第11章 三相软开关电力变换11.1几种软开关电路11.1.1高效准谐振DC环节逆变器11.1.2并联谐振DC环节逆变器11.1.3辅助准谐振变流器11.1.4准谐振ZVS环节逆变器11.2一个典型的三相软开关.PWM变频器11.2.1电路结构与动作分析11.2.2PWM调制原理与输出波形解析11.2.3输出特性分析11.3软开关变频器主电路的数学解析11.4三相软开关高功率因数：PWM变频器11.4.1双PWM变频器电路结构与动作分析11.4.2软开关动作分析11.4.3双PWM变频器的控制方法及实验结果11.5一种高效率ZVT三相PWM逆变器11.5.1一种高效率ZVT三相PWM逆变器11.5.2控制方式11.5.3动作模式分析11.5.4实验结果与分析第12章 太阳能光伏发电12.1光伏电池的基本原理12.1.1半导体材料的原子结构与晶格结构12.1.2载流子12.1.3半导体的PN结12.2光伏电池的特性和参数12.2.1光伏电池的特性12.2.2光伏电池的主要参数12.2.3典型的光伏电池输出特性12.3蓄电池的充电过程12.3.1铅酸蓄电池12.3.2镉镍蓄电池12.3.3安全性12.3.4储能蓄电池的几个重要参数12.3.5蓄电池充电的控制策略12.4光伏发电逆变器12.4.1导抗变换器的理论基础12.4.2单相并网逆变器12.4.3三相并网逆变器12.5光伏发电系统形式12.5.1独立型光伏发电12.5.2并网型光伏发电12.5.3可调度型光伏发电12.6孤岛效应问题12.6.1孤岛效应的发生12.6.2传统孤岛效应检测法第13章 风力发电13.1风力发电技术概述13.1.1风力机的类型13.1.2风力机的基本特性13.1.3风力机的功率调节13.1.4风力发电的发展趋势13.2绕线转子异步电动机双馈(串级)调速原理13.2.1次同步转速下作电动运行13.2.2反转时作倒拉制动运行13.2.3超同步转速下作回馈制动运行13.2.4超同步转速下作电动运行13.2.5次同步转速下回馈制动运行13.2.6转子励磁超同步转速下发电运行13.2.7转子励磁次同步转速下发电运行13.3恒速恒频与变速恒频风力发电技术13.3.1恒速恒频风力发电13.3.2变速恒频发电机系统13.4级联式无刷双馈电机的原形13.5无刷双馈电机的结构与工作原理13.5.1无刷双馈电机的定子结构13.5.2功率绕组和控制绕组磁场对转子的作用13.5.3无刷双馈电机的转子结构13.5.4无刷双馈电机的转子类型13.5.5无刷双馈电机调速原理13.5.6转差率、极对数、电源频率间的关系13.5.7功率绕组与控制绕组的功率关系13.5.8无刷双馈电机的运行方式13.5.9无刷双馈变速恒频风力发电系统的控制附录附录A 一些相关公式的推导附录B 开关函数及逆变器输出电压参考文献
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