大功率变频器及交流传动

本书详细而又完整地介绍了大功率变频器及中压交流传动的近期新发展技术，包括各种大功率变频器的拓扑结构、脉冲调制方法、优选的控制策略以及工业产品设计经验等。书中包括了250多个图表，对所有主要理论和控制方法，都给出了计算机仿真结果和试验波形。对于实际产品的设计和工业应用中的各种问题，书中也穿插于各章节中进行了详细介绍。

吴斌，Bin wu是加拿大Ryerson大学电气工程及计算机系教授．是该校主管学术研究的。发表论文100多篇、科技研究报告100多篇，持有5项美国专利，另有4项专利正在审批中。他和多个有名的电气公司有着长期深入的合作关系，包括RockwellAutomation公司以及加拿大Honeywell Aerospace公司，取得了显著的理论突破．合作研制成功了多个畅销的很好产品。他从加拿大国家政府和公司等共获得了超过350万加元的资金支持。
Bin wu博士在加拿大多伦多大学电气及计算机工程系获得博士学位，他是IEEE电力电子期刊的副主编，也是加拿大IEEE工业关系分会的。他同时是加拿大Ontario(安大略)省注册专业工程师，是加拿大大学中优选的研究室之一——电气传动应用与研究实验室(LEDAR)的创始人。他曾获得的荣誉包括加拿大政府金奖、加拿大国家自然科学基金授予的合作创新奖、加拿大杰出科学研究奖、Ryerson大学Sarwan Sahota杰出科研专家奖等。

译者序
前言
第1部分绪论
第1章概述
1.1简介
1.2技术难点
1.2.1网侧的技术要求
1.2.2电动机侧的技术要求
1.2.3开关器件的限制
1.2.4对传动系统的整体要求
1.3变频器拓扑结构
1.4中压传动工业产品
1.5小结
附录1A中压传动系统的应用概况
参考文献
第2章大功率半导体器件
2.1简介
2.2大功率开关器件
2.2.1二极管
2.2.2普通晶闸管
2.2.3门极关断晶闸管
2.2.4门极换向晶闸管
2.2.5绝缘栅双极型晶体管
2.2.6其他开关器件
2.3器件的串联运行
2.3.1电压不均衡的主要原因
2.3.2GCT的电压均衡
2.3.3IGBT的电压均衡
2.4小结
参考文献
第2部分多脉波二极管和SCR整流器
第3章多脉波二极管整流器
3.1简介
3.26脉波二极管整流器
3.2.1简介
3.2.2容性负载
3.2.3THD和PF的定义
3.2.4标幺值系统
3.2.56脉波二极管整流器的THD和PF
3.3串联型多脉波二极管整流器
3.3.112脉波串联型二极管整流器
3.3.218脉波串联型二极管整流器
3.3.324脉波串联型二极管整流器
3.4分离型多脉波二极管整流器
3.4.112脉波分离型二极管整流器
3.4.218和24脉波分离型二极管整流器
3.5小结
参考文献
第4章多脉波晶闸管整流器
4.1简介
4.26脉波晶闸管整流器
4.2.1理想6脉波晶闸管整流器
4.2.2网侧电感的影响
4.2.3THD和PF
4.312脉波晶闸管整流器
4.3.1理想12脉波晶闸管整流器
4.3.2线路电感和变压器漏电感的影响
4.3.3THD和PF
4.418和24脉波晶闸管整流器
4.5小结
参考文献
第5章移相变压器
5.1简介
5.2一次侧绕组为接二次侧绕组为延边三角形的移相变压器
5.2.1/型移相变压器
5.2.2/型移相变压器
5.3一次侧绕组为三角形二次侧绕组为延边三角形的移相变压器
5.4谐波电流的消除
5.4.1谐波电流的相移
5.4.2谐波的消除
5.5小结
第3部分多电平电压源型逆变器
第6章两电平电压源型逆变器
6.1简介
6.2正弦波脉宽调制
6.2.1调制方法
6.2.2谐波成分
6.2.3过调制
6.2.4三次谐波注入PWM
6.3空间矢量调制
6.3.1开关状态
6.3.2空间矢量
6.3.3作用时间计算
6.3.4调制因数
6.3.5开关顺序
6.3.6频谱分析
6.3.7偶次谐波的消除
6.3.8不连续空间矢量调制
6.4小结
参考文献
第7章串联H桥多电平逆变器
7.1简介
7.2H桥逆变器
7.2.1双极性调制法
7.2.2单极性调制法
7.3多电平逆变器拓扑结构
7.3.1采用相同电压直流电源的串联H桥逆变器
7.3.2采用不同电压直流电源的串联H桥逆变器
7.4基于载波的PWM控制法
7.4.1移相载波调制法
7.4.2移幅载波调制法
7.4.3移相和移幅载波PWM方法的比较
7.5阶梯波调制方法
7.6小结
参考文献
第8章二极管箝位式多电平逆变器
8.1简介
8.2三电平逆变器
8.2.1拓扑结构
8.2.2开关状态
8.2.3换相
8.3空间矢量调制
8.3.1静止空间矢量
8.3.2作用时间计算
8.3.3Vref位置与保持时间之间的关系
8.3.4开关顺序设计
8.3.5逆变器输出波形和谐波含量
8.3.6消除偶次谐波
8.4中点电压控制
8.4.1中点电压偏移的原因
8.4.2电动和再生运行模式的影响
8.4.3中点电压的反馈控制
8.5其他空间矢量调制算法
8.5.1非连续空间矢量调制
8.5.2基于两电平算法的SVM
8.6多电平二极管箝位式逆变器
8.6.1四、五电平二极管箝位式逆变器
8.6.2基于载波的PWM
8.7小结
附录8A采用偶次谐波消除方法的三电平NPC逆变器7段式开关顺序
参考文献
第9章其他多电平电压源型逆变器
9.1简介
9.2NPC/H桥逆变器
9.2.1拓扑结构
9.2.2调制方法
9.2.3波形和谐波分量
9.3多电平电容悬浮式逆变器
9.3.1拓扑结构
9.3.2调制方法
9.4小结
参考文献
第4部分PWM电流源型变频器
第10章PWM电流源型逆变器
10.1简介
10.2PWM电流源型逆变器
10.2.1梯形波脉宽调制
10.2.2特定谐波消除法
10.3空间矢量调制
10.3.1开关状态
10.3.2空间矢量
10.3.3作用时间计算
10.3.4开关顺序
10.3.5电流谐波分量
10.3.6SVM、TPWM和SHE的比较
10.4并联电流源型逆变器
10.4.1逆变器拓扑结构
10.4.2并联逆变器空间矢量调制
10.4.3中矢量对直流电流的影响
10.4.4直流电流的平衡控制
10.4.5试验验证
10.5负载换相逆变器
10.6小结
附录10A图101中的逆变器采用SHE方法时计算的开关角
参考文献
第11章PWM电流源型整流器
11.1简介
11.2单桥电流源型整流器
11.2.1简介
11.2.2特定谐波消除法
11.2.3整流器直流输出电压
11.2.4空间矢量调制法
11.3双桥电流源型整流器
11.3.1简介
11.3.2PWM方法
11.3.3谐波成分
11.4功率因数控制
11.4.1简介
11.4.2α和ma的同时控制
11.4.3功率因数曲线
11.5有源阻尼控制
11.5.1简介
11.5.2串联和并联谐振模式
11.5.3有源阻尼原理
11.5.4LC谐振抑制
11.5.5谐波抑制
11.5.6有源阻尼电阻的选择
11.6小结
附录11A电流源型整流器的开关角
参考文献
第5部分大功率交流传动系统
第12章电压源型逆变器传动系统
12.1简介
12.2基于两电平VSI的中压传动系统
12.2.1功率变换模块
12.2.2带不控前端的两电平VSI传动系统
12.3中点箝位式逆变器传动系统
12.3.1基于GCT的NPC逆变器传动系统
12.3.2基于IGBT的NPC逆变器传动系统
12.4多电平串联H桥逆变器传动系统
12.4.1适用于2300V/4160V电动机的CHB逆变器传动系统
12.4.2适用于6.6kV/11.8kV电动机的CHB逆变器传动系统
12.5NPC/H桥逆变器传动系统
12.6小结
参考文献
第13章电流源型变频器传动系统
13.1简介
13.2采用PWM整流器的电流源型变频器传动系统
13.2.1采用单桥PWM整流器的电流源型变频器传动系统
13.2.2专用电动机的电流源型变频器传动系统
13.2.3采用双桥PWM整流器的电流源型变频器传动系统
13.3适用于常规变流电动机的无变压器电流源型逆变器传动系统
13.3.1新型电流源型变频器的拓扑结构
13.3.2用于抑制共模电压的一体化直流电抗器
13.4采用多脉波SCR整流器的电流源型变频器传动系统
13.4.1采用18脉波SCR整流器的电流源型变频器传动系统
13.4.2采用6脉波SCR整流器的低成本电流源型变频器传动系统
13.5同步电动机的负载换相逆变器传动系统
13.5.112脉波输入和6脉波输出的LCI传动系统
13.5.212脉波输入和12脉波输出的LCI传动系统
13.6小结
参考文献
第14章高性能传动控制方法
14.1简介
14.2坐标变换
14.2.1abc/dq坐标变换
14.2.23/2静止变换
14.3异步电动机数学模型
14.3.1空间矢量电动机模型
14.3.2dq电动机模型
14.3.3异步电动机暂态特性
14.4磁场定向控制原理
14.4.1磁场定向
14.4.2FOC的控制框图
14.5直接磁场定向控制
14.5.1系统框图
14.5.2转子磁链计算
14.5.3电流控制VSI变频器的直接FOC
14.6间接磁场定向控制
14.7电流源型逆变器传动系统的磁场定向控制
14.8直接转矩控制
14.8.1直接转矩控制的原理
14.8.2开关逻辑
14.8.3定子磁链和转矩计算
14.8.4DTC传动系统仿真
14.8.5DTC和FOC方法之间的比较
14.9小结
参考文献
附录
附录A缩略语中英文对照表
附录B教学作业
B.1简介
B.2教学作业示例——教学作业 3：两电平VSI的空间矢量调制方法
B.3教学作业答案

前言随着电力半导体器件（尤其是IGBT和GCT）的迅速发展，中压大功率传动设备在石油化工、矿山开采、轧钢和冶金、运输等工业领域得到了越来越广泛的应用，节约了电能、增加了产量并提高了产品质量。
    虽然专家、学者和技术人员对于中压（23～138kV）大功率（1～100MW）传动系统的研究工作一直在持续进行，但介绍相关最新前沿技术的书籍却并不多见。本书则致力于此，完整而又详尽地介绍了各种大功率变频器的拓扑结构及原理、传动系统的组成，以及与此相关的各种先进控制策略。
    本书包括了中压大功率传动领域最新发展的前沿技术，不但通过表格、框图、波形图等给出了系统设计参考，而且还介绍了实际产品设计中的各种关键技术难点及其解决方法。对于所有重要的概念、控制原理和核心控制技术，书中都给出了计算机仿真结果和实际装置的实验波形。本书可作为学术研究、产品开发等专业技术人员或产品工程师的参考。书中同时详细地给出了多个专题的相关技术背景，也非常适合于作为电力电子及交流传动专业的研究生教材。
    本书可分为5个部分，共14章。
    第1部分为绪论，总体介绍了中压大功率变频器的市场分析、系统结构、工业典型应用、变频器拓扑结构以及各种电力半导体器件等。其中，重点介绍了中压变频器具有普遍意义的关键技术要求和难点（对于低压传动系统来说，从不同角度分析时，关键技术和难点也往往不同）。
    第2部分介绍多脉波二极管及晶闸管整流器，内容包括中压变频器中为降低网侧线电流畸变常用到的12、18和24脉波整流器的拓扑结构；同时也介绍了多脉波整流器中经常用到的移相变压器，并详细讨论了基于移相变压器消除主要谐波的原理。
    第3部分介绍了多电平电压源型逆变器，详细分析并比较了各种多电平电压源型逆变器的拓扑结构，包括典型的中点箝位多电平结构和串联H桥多电平结构；在此基础上，介绍了基于载波和基于空间矢量的两大类多电平脉宽调制方法。
    第4部分讨论了中压逆变器中的PWM电流源型逆变器和整流器，分析了梯形波调制方法、特定谐波消除方法以及电流源型变频器的空间矢量调制方法。在这部分中，同时分析了功率因数为1的控制方法，以及有源阻尼控制方法。
    最后，第5部分介绍了大功率交流传动系统，给出了国际上各大公司开发的电压源型和电流源型变频器，并比较了各种结构的特点和优缺点；此后，介绍了磁场定向矢量控制和直接转矩控制两种最为广泛使用的控制方法。书中力争用最简单和最容易理解的方式把两种控制方法介绍得清晰、简洁。
    附录为在研究生课程教学中使用的12个基于计算机仿真的教学作业，各教学作业的详细分析和答案可参见指导手册（另单独发行）。指导手册中同时有各章节的讲解演示文稿（基于幻灯片形式）。
    最后，谨向Rockwell Automation（加拿大）公司的同事们表示最诚挚的感谢，尤其是Steve Rizzo、Navid Zargari和Frank DeWinter，感谢和他们进行的无数次技术探讨，感谢12年来一起在研究开发中压传动系统中愉快而又富有成效的合作！同时真诚感谢我的恩师，Shashi Dowan博士和Gordon Slemon博士，感谢两位导师在我于Toronto大学攻读硕士和博士学位期间的谆谆教导，是他们使得我在大功率传动系统的研究方面受益匪浅！感谢RPM工程公司的Robert Hanna博士，感谢他对原稿的仔细审读，并提出了很多宝贵的意见！同时，感谢所有在Ryerson大学电气传动应用及研究实验室（LEDAR）先后工作过的博士后、博士和硕士生们，感谢他们在准备本书书稿中给予的协助和支持！感谢ASI Robicon、ABB、Siemens AG及Rockwell Automation公司，感谢他们为书中提供了中压传动系统的照片。最后，非常感谢我的夫人Janice及我的女儿Linda，感谢她们在完成此书期间给予的关心、理解、支持，以及在写作上带来的灵感。
    Bin Wu于加拿大多伦多