本書從工程嵌入式軟件設計角度出發(fā)，系統(tǒng)化介紹了異步電機數字控制系統(tǒng)的設計思想，其中涉及兩電平逆變器、三電平逆變器、級聯多電平逆變器，以及有源前端等數字系統(tǒng)的標幺化設計方法。本書集作者近40年的研究成果，特別是在PWM過調制、最小脈沖限制、逆變器非線性補償、電機參數自學習、變頻器空載振蕩抑制、最小拍磁鏈規(guī)劃、動態(tài)電流控制以及無電跨越、飛車起動等敏感問題均有作者的獨到見解，這些成果已在作者所從事的產品研究和設計方面得到了全面的證實和應用。
本書對從事逆變器產品研究及設計的工程技術人員、高等學校本科生和研究生等均有一定的參考價值。
隨著國家推廣新能源政策的力度不斷加大，電力電子變換器相關產品在風電、光伏、機車牽引、電動汽車、充電樁等領域得到更加廣泛的應用。在電子元器件不斷升級換代的前提下，為控制策略和算法實現奠定了堅實的硬件基礎。本書對兩電平、三電平、級聯多電平變頻器的控制系統(tǒng)設計進行了詳細的闡述，對促進電力電子變換器領域的技術更新、普及和發(fā)展具有積極的推動作用。
作者自1989年至今，從事交流傳動領域的研發(fā)工作30余年，帶領團隊先后開發(fā)出了兩電平、三電平及多電平變頻調速器的系列產品，積累了豐富的實踐經驗和科研成果，先后發(fā)表論文10余篇。本著技術傳承、造福行業(yè)的初心，作者希望將多年的研究成果整理成書，回報社會。這一想法得到了同行的贊賞和鼓勵，從而付諸行動。書稿自2018年夏末開始至2022年初完成。如今呈獻給大家，希望本書能真正對電力電子變換器領域的工程師和研究人員有參考價值，并起到拋磚引玉的作用。同時也懇請業(yè)界前輩和同行批評指正，提出寶貴意見和建議。
本書共分10章。第1章系統(tǒng)闡述了數學模型標幺化的原理，并給出了濾波器、積分器、PI調節(jié)器等典型環(huán)節(jié)模型的標幺化方法。第2章重點分析了PWM逆變系統(tǒng)的數字實現一般原則，給出了正弦PWM角度、限幅給定積分器以及S形加、減速曲線的實現方法。第3章系統(tǒng)闡述了兩電平逆變器空間矢量脈寬調制(SVPWM)方法，從空間電壓矢量概念、特征、SVPWM的基本原則、直角坐標SVPWM法，逐步推演到g-h非正交SVPWM法、諧波注入PWM（HIPWM）法，并給出了SVPWM的限幅細則。第4章主要闡述了中性點鉗位（NPC）逆變器的空間矢量PWM方法，其中詳細介紹了NPC主電路拓撲、邏輯及空間矢量，分別介紹并比較了直角坐標法、g-h非正交坐標法、中性點鉗位及PWM細則。第5章系統(tǒng)闡述了異步電機的數學模型及其靜態(tài)、動態(tài)特性分析。第6章闡述磁場定向控制基本原理及實施方法，包括磁鏈觀測與閉環(huán)控制、特殊條件下的電機動態(tài)模型。第7章介紹直接轉矩控制（DTC）系統(tǒng)的設計方法，包括最佳開關矢量表、磁鏈觀測器、飛車起動、磁場優(yōu)化、最小拍磁鏈規(guī)劃以及標量DTC模式等實用方法。第8章系統(tǒng)闡述了級聯多電平高壓變頻器PWM原理，結合主電路拓撲對子單元PWM驅動、載波移相控制與單元奇偶數選擇、單元旁路輸出電壓平衡控制、光纖通信協議等方面給出了具體的工程設計方案。第9章針對變頻器的特殊功能進行理論分析并給出具體實現方法，其中包括逆變器死區(qū)時間的影響及補償、VF模式下的直流制動、無電跨越功能、速度搜索跟蹤再起動、VF模式的最大電流限制、變頻器空載振蕩抑制方法、逆變器-電網同步切換等。第10章詳細介紹了電機主要參數自測試的方法并給出了傳感器零漂校正、逆變器非線性及死區(qū)時間等測試方法，為電機的精確控制提供了保障。
本書編寫過程中得到了天津方圓電氣有限公司尹漢斌、劉格凡、王杰、董兆輝、喬奕瑋、韓達、關瑜等同事的大力支持。澳大利亞國立大學張千同學在建模、仿真及繪圖等方面做了大量工作，在此一并表示感謝！
因作者水平有限，書中難免有不妥之處，懇請讀者批評指正。
張德寬
2022年1月于天津
前言
第1章 典型控制環(huán)節(jié)的數字標幺化1
1.1 標幺化一般概念1
1.1.1 物理量基準值1
1.1.2 數字量基準值1
1.2 典型環(huán)節(jié)數字標幺化2
1.2.1 一階濾波器2
1.2.2 不限幅積分器4
1.2.3 限幅積分器5
1.2.4 開環(huán)限幅PI調節(jié)器6
1.2.5 閉環(huán)限幅PI調節(jié)器8
第2章 數字PWM逆變系統(tǒng)的一般概念11
2.1 主電路拓撲11
2.1.1 開關管半橋模塊11
2.1.2 半橋控制邏輯與互鎖11
2.1.3 半橋逆導二極管的作用12
2.1.4 半橋控制的理論模型12
2.1.5 半橋的控制與隔離13
2.1.6 三相逆變器主電路13
2.1.7 小結14
2.2 數字PWM14
2.3 正弦PWM的角度計算16
2.4 限幅給定積分器17
2.5 S形弧線加減速功能的實現19
2.5.1 平方反饋法19
2.5.2 線性反饋法22
2.5.3 輸出強迫保持24
2.6 V-f曲線24
2.7 典型變頻器控制系統(tǒng)框圖24
第3章 兩電平空間矢量PWM方法26
3.1 概述26
3.2 逆變器電壓矢量及特征26
3.2.1 直流母線電壓與網側電壓關系26
3.2.2 逆變器電壓矢量27
3.2.3 相鄰電壓矢量28
3.3 SVPWM的基本原則28
3.3.1 平均電壓矢量28
3.3.2 三矢量定理與矢量合成基本方程29
3.3.3 參考矢量扇區(qū)及三矢量組30
3.4 d-q坐標系矢量合成方程及占空比通式30
3.5 極坐標分析31
3.5.1 占空比表達式31
3.5.2 最高線性輸出電壓32
3.5.3 不同PWM方式電壓利用率比較33
3.6 非正交g-h坐標系法34
3.6.1 直角坐標系矢量的g-h變換34
3.6.2 α-β坐標系逆變器矢量的g-h坐標34
3.6.3 d-q/g-h坐標系占空比表達式34
3.6.4 g-h坐標系過調制矢量修正34
3.6.5 最小脈沖限制36
3.6.6 SVPWM算法模型小結36
3.7 SVPWM的等效方法37
3.8 SVPWM波形生成38
3.8.1 數字PWM比較38
3.8.2 定制七段式SVPWM38
3.8.3 定制五段式SVPWM40
3.8.4 不定制矢量排序（繼承法）44
3.8.5 小結47
3.9 時間片組合PWM47
3.10 本章數學基礎48
3.10.1 最佳三矢量的數學證明48
3.10.2 正弦脈寬調制法的最高線性基波幅值51
3.10.3 方波輸出基波幅值的推導53
3.10.4 空間矢量法與諧波注入法的等效性證明53
3.10.5 SPWM與SVPWM電壓矢量軌跡比較58
3.10.6 逆變器相電壓矢量與線電壓矢量的關系58
3.10.7 逆變器—星形負載中性點電壓表達式59
3.10.8 五段式無損最小脈沖限制法59
第4章 中性點鉗位三電平空間矢量PWM方法67
4.1 NPC三電平逆變器主電路拓撲、邏輯及空間矢量67
4.2 d-q坐標變換及矢量合成70
4.3 d-q/g-h坐標系矢量合成及占空比初解71
4.4 小區(qū)判別及占空比終解73
4.5 PWM輸出開關邏輯77
4.6 主電路數學模型86
4.7 實驗87
4.8 三電平虛擬矢量PWM方法90
第5章 異步電機模型99
5.1 直流電機與異步電機一體化99
5.1.1 直流電機99
5.1.2 異步電機100
5.2 復數與矢量100
5.3 任意坐標系下的電動機動態(tài)方程103
5.4 電磁轉矩105
5.5 電機模型與仿真105
5.5.1 靜止坐標系電機動態(tài)模型105
5.5.2 定子施加直流電壓的特性109
5.5.3 定子注入直流電流時的特性112
5.5.4 按轉子磁鏈定向注入定子電流115
5.5.5 逆變器封鎖后電機狀態(tài)分析116
5.6 按定子電壓矢量定向的電機模型118
5.7 電機轉差與有功電流的關系120
5.8 電機穩(wěn)態(tài)轉矩特性121
第6章 矢量控制系統(tǒng)設計124
6.1 按轉子磁鏈定向的電機方程124
6.2 轉子磁鏈觀測125
6.2.1 電壓模型125
6.2.2 電動勢模型（閉環(huán)法）126
6.2.3 速度-轉差電流模型126
6.2.4 狀態(tài)方程電流模型法127
6.2.5 電流型矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)128
6.2.6 電壓型矢量閉環(huán)控制系統(tǒng)128
6.3 有速度傳感器矢量控制130
6.3.1 速度反饋130
6.3.2 磁鏈觀測器131
6.3.3 有速度傳感器飛車起動132
6.3.4 矢量控制系統(tǒng)仿真133
6.3.5 實驗波形137
6.4 勵磁特性與控制138
6.4.1 靜態(tài)勵磁特性138
6.4.2 最佳磁場控制141
6.4.3 電流軌跡分析145
6.4.4 弱磁區(qū)的動態(tài)磁場飽和146
6.4.5 勵磁特性系統(tǒng)仿真147
6.5 位置控制（懸停）149
6.6 力矩控制149
6.7 無速度傳感器矢量控制（SVC）150
6.7.1 模型參考自適應系統(tǒng)（MRAS）磁鏈觀測器152
6.7.2 觀測器防“陷死”功能158
6.7.3 正反轉切換158
6.7.4 直流母線電壓抑制158
6.7.5 無速度傳感器飛車起動159
6.7.6 電感非線性（磁化曲線）161
6.7.7 SVC系統(tǒng)仿真162
6.8 PWM有源前端及功率因數控制163
6.9 本章數學基礎171
第7章 直接轉矩控制系統(tǒng)設計180
7.1 轉矩、磁鏈比較器181
7.2 最優(yōu)開關邏輯183
7.3 自適應電機模型188
7.4 轉矩生成188
7.5 轉矩表達式189
7.6 磁鏈觀測器189
7.7 DTC特殊功能的實現196
7.7.1 有速度傳感器飛車起動196
7.7.2 無速度傳感器飛車起動196
7.7.3 直流電壓抑制197
7.7.4 閉環(huán)最優(yōu)磁場控制198
7.7.5 轉矩限幅特性200
7.7.6 電感非線性201
7.7.7 DTC標量模式201
7.8 DTC仿真研究201
7.9 DTC的優(yōu)化策略203
7.10 定子電流動態(tài)跟蹤法215
7.11 三電平逆變器DTC221
7.12 PI型直接轉矩控制（PI-DTC）229
第8章 級聯多電平高壓變頻控制系統(tǒng)設計231
8.1 主電路拓撲231
8.1.1 移相隔離變壓器232
8.1.2 子單元（cell）拓撲232
8.2 子單元PWM驅動與輸出233
8.3 載波移相控制與單元奇偶數235
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