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| 內容簡介： |
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本书从工程嵌入式软件设计角度出发，系统化介绍了异步电机数字控制系统的设计思想，其中涉及两电平逆变器、三电平逆变器、级联多电平逆变器，以及有源前端等数字系统的标幺化设计方法。本书集作者近40年的研究成果，特别是在PWM过调制、最小脉冲限制、逆变器非线性补偿、电机参数自学习、变频器空载振荡抑制、最小拍磁链规划、动态电流控制以及无电跨越、飞车起动等敏感问题均有作者的独到见解，这些成果已在作者所从事的产品研究和设计方面得到了全面的证实和应用。本书对从事逆变器产品研究及设计的工程技术人员、高等学校本科生和研究生等均有一定的参考价值。
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前言第1章 典型控制环节的数字标幺化11.1 标幺化一般概念11.1.1 物理量基准值11.1.2 数字量基准值11.2 典型环节数字标幺化21.2.1 一阶滤波器21.2.2 不限幅积分器41.2.3 限幅积分器51.2.4 开环限幅PI调节器61.2.5 闭环限幅PI调节器8第2章 数字PWM逆变系统的一般概念112.1 主电路拓扑112.1.1 开关管半桥模块112.1.2 半桥控制逻辑与互锁112.1.3 半桥逆导二极管的作用122.1.4 半桥控制的理论模型122.1.5 半桥的控制与隔离132.1.6 三相逆变器主电路132.1.7 小结142.2 数字PWM142.3 正弦PWM的角度计算162.4 限幅给定积分器172.5 S形弧线加减速功能的实现192.5.1 平方反馈法192.5.2 线性反馈法222.5.3 输出强迫保持242.6 V-f曲线242.7 典型变频器控制系统框图24第3章 两电平空间矢量PWM方法263.1 概述263.2 逆变器电压矢量及特征263.2.1 直流母线电压与网侧电压关系263.2.2 逆变器电压矢量273.2.3 相邻电压矢量283.3 SVPWM的基本原则283.3.1 平均电压矢量283.3.2 三矢量定理与矢量合成基本方程293.3.3 参考矢量扇区及三矢量组303.4 d-q坐标系矢量合成方程及占空比通式303.5 极坐标分析313.5.1 占空比表达式313.5.2 最高线性输出电压323.5.3 不同PWM方式电压利用率比较333.6 非正交g-h坐标系法343.6.1 直角坐标系矢量的g-h变换343.6.2 α-β坐标系逆变器矢量的g-h坐标343.6.3 d-q/g-h坐标系占空比表达式343.6.4 g-h坐标系过调制矢量修正343.6.5 最小脉冲限制363.6.6 SVPWM算法模型小结363.7 SVPWM的等效方法373.8 SVPWM波形生成383.8.1 数字PWM比较383.8.2 定制七段式SVPWM383.8.3 定制五段式SVPWM403.8.4 不定制矢量排序（继承法）443.8.5 小结473.9 时间片组合PWM473.10 本章数学基础483.10.1 最佳三矢量的数学证明483.10.2 正弦脉宽调制法的最高线性基波幅值513.10.3 方波输出基波幅值的推导533.10.4 空间矢量法与谐波注入法的等效性证明533.10.5 SPWM与SVPWM电压矢量轨迹比较583.10.6 逆变器相电压矢量与线电压矢量的关系583.10.7 逆变器—星形负载中性点电压表达式593.10.8 五段式无损最小脉冲限制法59第4章 中性点钳位三电平空间矢量PWM方法674.1 NPC三电平逆变器主电路拓扑、逻辑及空间矢量674.2 d-q坐标变换及矢量合成704.3 d-q/g-h坐标系矢量合成及占空比初解714.4 小区判别及占空比终解734.5 PWM输出开关逻辑774.6 主电路数学模型864.7 实验874.8 三电平虚拟矢量PWM方法90第5章 异步电机模型995.1 直流电机与异步电机一体化995.1.1 直流电机995.1.2 异步电机1005.2 复数与矢量1005.3 任意坐标系下的电动机动态方程1035.4 电磁转矩1055.5 电机模型与仿真1055.5.1 静止坐标系电机动态模型1055.5.2 定子施加直流电压的特性1095.5.3 定子注入直流电流时的特性1125.5.4 按转子磁链定向注入定子电流1155.5.5 逆变器封锁后电机状态分析1165.6 按定子电压矢量定向的电机模型1185.7 电机转差与有功电流的关系1205.8 电机稳态转矩特性121第6章 矢量控制系统设计1246.1 按转子磁链定向的电机方程1246.2 转子磁链观测1256.2.1 电压模型1256.2.2 电动势模型（闭环法）1266.2.3 速度-转差电流模型1266.2.4 状态方程电流模型法1276.2.5 电流型矢量闭环控制系统1286.2.6 电压型矢量闭环控制系统1286.3 有速度传感器矢量控制1306.3.1 速度反馈1306.3.2 磁链观测器1316.3.3 有速度传感器飞车起动1326.3.4 矢量控制系统仿真1336.3.5 实验波形1376.4 励磁特性与控制1386.4.1 静态励磁特性1386.4.2 最佳磁场控制1416.4.3 电流轨迹分析1456.4.4 弱磁区的动态磁场饱和1466.4.5 励磁特性系统仿真1476.5 位置控制（悬停）1496.6 力矩控制1496.7 无速度传感器矢量控制（SVC）1506.7.1 模型参考自适应系统（MRAS）磁链观测器1526.7.2 观测器防“陷死”功能1586.7.3 正反转切换1586.7.4 直流母线电压抑制1586.7.5 无速度传感器飞车起动1596.7.6 电感非线性（磁化曲线）1616.7.7 SVC系统仿真1626.8 PWM有源前端及功率因数控制1636.9 本章数学基础171第7章 直接转矩控制系统设计1807.1 转矩、磁链比较器1817.2 最优开关逻辑1837.3 自适应电机模型1887.4 转矩生成1887.5 转矩表达式1897.6 磁链观测器1897.7 DTC特殊功能的实现1967.7.1 有速度传感器飞车起动1967.7.2 无速度传感器飞车起动1967.7.3 直流电压抑制1977.7.4 闭环最优磁场控制1987.7.5 转矩限幅特性2007.7.6 电感非线性2017.7.7 DTC标量模式2017.8 DTC仿真研究2017.9 DTC的优化策略2037.10 定子电流动态跟踪法2157.11 三电平逆变器DTC2217.12 PI型直接转矩控制（PI-DTC）229第8章 级联多电平高压变频控制系统设计2318.1 主电路拓扑2318.1.1 移相隔离变压器2328.1.2 子单元（cell）拓扑2328.2 子单元PWM驱动与输出2338.3 载波移相控制与单元奇偶数235
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随着国家推广新能源政策的力度不断加大，电力电子变换器相关产品在风电、光伏、机车牵引、电动汽车、充电桩等领域得到更加广泛的应用。在电子元器件不断升级换代的前提下，为控制策略和算法实现奠定了坚实的硬件基础。本书对两电平、三电平、级联多电平变频器的控制系统设计进行了详细的阐述，对促进电力电子变换器领域的技术更新、普及和发展具有积极的推动作用。作者自1989年至今，从事交流传动领域的研发工作30余年，带领团队先后开发出了两电平、三电平及多电平变频调速器的系列产品，积累了丰富的实践经验和科研成果，先后发表论文10余篇。本着技术传承、造福行业的初心，作者希望将多年的研究成果整理成书，回报社会。这一想法得到了同行的赞赏和鼓励，从而付诸行动。书稿自2018年夏末开始至2022年初完成。如今呈献给大家，希望本书能真正对电力电子变换器领域的工程师和研究人员有参考价值，并起到抛砖引玉的作用。同时也恳请业界前辈和同行批评指正，提出宝贵意见和建议。本书共分10章。第1章系统阐述了数学模型标幺化的原理，并给出了滤波器、积分器、PI调节器等典型环节模型的标幺化方法。第2章重点分析了PWM逆变系统的数字实现一般原则，给出了正弦PWM角度、限幅给定积分器以及S形加、减速曲线的实现方法。第3章系统阐述了两电平逆变器空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法，从空间电压矢量概念、特征、SVPWM的基本原则、直角坐标SVPWM法，逐步推演到g-h非正交SVPWM法、谐波注入PWM（HIPWM）法，并给出了SVPWM的限幅细则。第4章主要阐述了中性点钳位（NPC）逆变器的空间矢量PWM方法，其中详细介绍了NPC主电路拓扑、逻辑及空间矢量，分别介绍并比较了直角坐标法、g-h非正交坐标法、中性点钳位及PWM细则。第5章系统阐述了异步电机的数学模型及其静态、动态特性分析。第6章阐述磁场定向控制基本原理及实施方法，包括磁链观测与闭环控制、特殊条件下的电机动态模型。第7章介绍直接转矩控制（DTC）系统的设计方法，包括最佳开关矢量表、磁链观测器、飞车起动、磁场优化、最小拍磁链规划以及标量DTC模式等实用方法。第8章系统阐述了级联多电平高压变频器PWM原理，结合主电路拓扑对子单元PWM驱动、载波移相控制与单元奇偶数选择、单元旁路输出电压平衡控制、光纤通信协议等方面给出了具体的工程设计方案。第9章针对变频器的特殊功能进行理论分析并给出具体实现方法，其中包括逆变器死区时间的影响及补偿、VF模式下的直流制动、无电跨越功能、速度搜索跟踪再起动、VF模式的最大电流限制、变频器空载振荡抑制方法、逆变器-电网同步切换等。第10章详细介绍了电机主要参数自测试的方法并给出了传感器零漂校正、逆变器非线性及死区时间等测试方法，为电机的精确控制提供了保障。本书编写过程中得到了天津方圆电气有限公司尹汉斌、刘格凡、王杰、董兆辉、乔奕玮、韩达、关瑜等同事的大力支持。澳大利亚国立大学张千同学在建模、仿真及绘图等方面做了大量工作，在此一并表示感谢！因作者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请读者批评指正。张德宽2022年1月于天津
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