电力电子变换器PWM技术原理与实践

第1章 电力电子变换器导论 1

1.1 变换器的基本拓扑结构 2

1.1.1 开关的约束条件 2

1.1.2 双向斩波器 3

1.1.3 单相全桥(H桥)逆变器 4

1.2 电压源型/电压刚性型逆变器 5

1.2.1 两相逆变器结构 5

1.2.2 三相逆变器结构 5

1.2.3 方波模式下的电压和电流波形 6

1.3 三相变换器开关函数表达法 9

1.4 输出电压控制 11

1.4.1 伏特/赫兹准则 11

1.4.2 单相逆变器的移相调制 11

1.4.3 二重桥逆变器的电压控制 13

1.5 电流源型/电流刚性型逆变器 14

1.6 空间矢量的概念 17

1.6.1 三相正弦波电源和负载的d-q-0分量 18

1.6.2 工作在方波模式下电压源型逆变器的d-q-0分量 20

1.6.3 同步旋转参考坐标系 24

1.7 三电平逆变器 26

1.8 多电平逆变器拓扑结构 29

1.8.1 二极管钳位式多电平逆变器 29

1.8.2 电容钳位式多电平逆变器 34

1.8.3 级联式电压源型多电平逆变器 36

1.8.4 混合式电压源型逆变器 38

1.9 小结 39

参考文献 39

第2章 谐波畸变 40

2.1 谐波电压畸变因数 40

2.2 谐波电流畸变因数 43

2.3 三相逆变器谐波畸变因数 45

2.4 性能指标的选择 47

2.5 三电平逆变器的加权总谐波畸变 49

2.6 感应电动机负载 51

2.6.1 矩形鼠笼条 51

2.6.2 非矩形转子条 54

2.6.3 每相等效电路 55

2.7 感应电动机负载的谐波畸变加权因数 57

2.7.1 转子电阻(随频率变化)的加权总谐波畸变 57

2.7.2 考虑转子漏感(随频率变化)影响的加权总谐波畸变 59

2.7.3 考虑定子铜耗的加权总谐波畸变 62

2.8 谐波损耗的计算实例 63

2.9 PWM逆变电源的加权总谐波畸变标幺化处理 65

2.10 小结 66

参考文献 66

第3章 逆变器单相桥臂的调制 67

3.1 脉宽调制的基本概念 67

3.2 脉宽调制方案的评价 68

3.3 两电平脉宽调制波形的二重傅里叶积分分析 69

3.4 自然采样脉宽调制 73

3.4.1 正弦波-锯齿波调制 73

3.4.2 正弦波-三角波调制 78

3.5 从占空比变化角度进行脉宽调制分析 82

3.5.1 正弦波-锯齿波调制 82

3.5.2 正弦波-三角波调制 84

3.6 规则采样脉宽调制 86

3.6.1 锯齿形载波规则采样脉宽调制 89

3.6.2 对称规则采样脉宽调制 92

3.6.3 不对称规则采样脉宽调制 95

3.7 “直接”调制 100

3.8 整数与非整数频率比 102

3.9 各种脉宽调制方法的回顾 102

3.10 小结 104

参考文献 104

第4章 单相电压源型逆变器的调制 105

4.1 单相逆变器拓扑结构 105

4.2 单相逆变器的三电平调制 106

4.3 谐波损耗的解析计算 113

4.4 边带调制 119

4.5 开关脉冲位置 122

4.5.1 连续调制 123

4.5.2 不连续调制 124

4.6 开关脉冲序列 132

4.6.1 不连续PWM-单相桥臂开关动作 132

4.6.2 两电平单相PWM 137

4.7 小结 140

参考文献 140

第5章 三相电压源型逆变器的调制 141

5.1 三相电压源型逆变器(VSI)拓扑结构 141

5.2 采用正弦参考信号的三相调制 142

5.3 三次谐波参考信号注入法 148

5.3.1 注入信号幅值的优化 148

5.3.2 三次谐波注入法的解析表达式 151

5.4 谐波损耗的解析计算 158

5.5 不连续调制策略 164

5.6 三倍频载波比和次谐波 165

5.6.1 三倍频载波比 165

5.6.2 次谐波 166

5.7 小结 168

参考文献 169

第6章 零空间矢量放置调制策略 170

6.1 空间矢量调制 170

6.1.1 空间矢量调制原理 170

6.1.2 空间矢量调制和规则采样脉宽调制的比较 174

6.2 空间矢量调制的各相桥臂参考信号 175

6.3 自然采样空间矢量调制 178

6.4 空间矢量调制的解析式 180

6.5 空间矢量调制的谐波损耗 190

6.6 零空间矢量的放置 192

6.7 不连续调制 195

6.7.1 120°不连续调制 196

6.7.2 60°和30°不连续调制 197

6.8 不连续PWM的各相桥臂参考信号 201

6.9 不连续PWM的解析式 208

6.10 谐波性能比较 212

6.11 不连续PWM的谐波损耗 214

6.12 单边沿空间矢量调制 218

6.13 开关脉冲序列 218

6.14 小结 220

参考文献 220

第7章 电流源型逆变器的调制 221

7.1 作为状态机的三相调制器 221

7.2 用于自然采样电流源型逆变器的空间矢量调制器 225

7.3 实验验证 225

7.4 小结 228

参考文献 228

第8章 逆变器的过调制 229

8.1 过调制区域 229

8.2 逆变器单相桥臂的自然采样过调制 230

8.3 逆变器单相桥臂的规则采样过调制 234

8.4 单相/三相逆变器的自然采样过调制 236

8.5 过调制时的PWM控制器增益 238

8.5.1 正弦调制参考信号时的增益 238

8.5.2 空间矢量调制参考信号时的增益 241

8.5.3 60°不连续调制参考信号时的增益 243

8.5.4 补偿调制 244

8.6 采用空间矢量法的过调制 246

8.7 小结 250

参考文献 251

第9章 程控调制策略 252

9.1 优化的空间矢量调制 252

9.2 谐波消除PWM 261

9.3 优化的性能指标 274

9.4 优化的PWM 275

9.5 最小损耗PWM 281

9.6 小结 285

参考文献 285

第10章 多电平变换器的程控调制 286

10.1 几种多电平变换器 286

10.2 方块开关策略实现电压控制 289

10.3 用于多电平逆变器的谐波消除法 290

10.3.1 等电平情况下用于谐波消除的开关角 290

10.3.2 电压应力和电流应力的均衡 293

10.3.3 电平不等情况下用于谐波消除的开关角 294

10.4 最小谐波畸变 295

10.5 小结 297

参考文献 297

第11章 基于载波的多电平逆变器脉宽调制 298

11.1 级联式单相H桥的脉宽调制 298

11.2 级联式H桥的过调制 305

11.3 二极管钳位式逆变器的几种脉宽调制方法 308

11.4 三电平自然采样PD脉宽调制 309

11.4.1 三电平PD脉宽调制的等高线图 309

11.4.2 二重傅里叶级数谐波系数 311

11.4.3 谐波系数的计算 312

11.4.4 三电平PD脉宽调制的频谱性能 315

11.5 三电平自然采样APOD或POD脉宽调制 316

11.6 三电平逆变器的过调制 318

11.7 二极管钳位式逆变器的五电平PWM 321

11.7.1 五电平自然采样PD PWM 321

11.7.2 五电平自然采样APOD PWM 323

11.7.3 五电平POD PWM 326

11.8 更多电平的逆变器的PWM 327

11.9 级联式逆变器的等效PD PWM 330

11.10 混合式多电平逆变器 333

11.11 混合式逆变器的等效PD PWM 338

11.12 多电平逆变器的3次谐波注入法 342

11.13 可变调制比多电平逆变器的运行 344

11.14 小结 345

参考文献 346

第12章 多电平变换器的空间矢量脉宽调制 347

12.1 优化的空间矢量序列 347

12.2 选择开关状态的调制器 349

12.3 分解法 349

12.4 六边形坐标系统 351

12.5 一个开关周期内的最优空间矢量位置 355

12.6 空间矢量脉宽调制和基于载波脉宽调制的比较 356

12.7 多电平逆变器的不连续调制 358

12.8 小结 362

参考文献 362

第13章 调制控制器的实现 363

13.1 电力电子变换系统概述 363

13.2 PWM变换器系统的要素 364

13.2.1 电压源型逆变器的功率变换级 368

13.2.2 门极驱动接口电路 370

13.2.3 控制器电源 371

13.2.4 I/O调理电路 371

13.2.5 PWM控制器 371

13.3 PWM过程的硬件实现 374

13.3.1 模拟与数字实现 374

13.3.2 数字定时器的逻辑结构 375

13.4 PWM的软件实现 378

13.4.1 后台软件 378

13.4.2 PWM定时间隔的计算 379

13.5 小结 381

参考文献 381

第14章 调制技术的发展 382

14.1 随机脉宽调制 382

14.2 电压不平衡情况下的PWM整流器 385

14.3 共模信号消除 390

14.4 四相桥臂逆变器调制 394

14.5 最小脉冲宽度的影响 396

14.6 脉宽调制死区补偿 399

14.7 小结 404

参考文献 404

附录1 双变量控制波形的傅里叶级数表达式 405

参考文献 408

附录2 雅可比-安格尔和贝塞尔函数关系式 409

A2.1 雅可比-安格尔展开 409

A2.2 贝塞尔函数的积分关系式 410

参考文献 411

附录3 三相及半周期对称关系式 412

参考文献 413

附录4 单相桥臂的过调制 414

A4.1 自然采样双边沿脉宽调制 414

A4.1.1 自然采样PWM下过调制的二重傅里叶积分的计算 414

A4.1.2 自然采样PWM过调制下的单相桥臂的谐波表达式 420

A4.1.3 由过调制表达式所得到的线性调制表达式 421

A4.1.4 由过调制表达式所得到的方波调制表达式 421

A4.2 对称规则采样双边沿PWM 422

A4.2.1 对称规则采样PWM下过调制的二重傅里叶积分的计算 423

A4.2.2 对称规则采样PWM下单相桥臂过调制的谐波表达式 424

A4.2.3 由过调制表达式所得到的线性调制表达式 425

A4.3 不对称规则采样双边沿PWM 425

A4.3.1 不对称规则采样PWM下过调制的二重傅里叶积分的计算 426

A4.3.2 不对称规则采样PWM下过调制的单相桥臂的谐波表达式 428

A4.3.3 由过调制表达式所得到的线性调制表达式 429

附录5 开关波形的二重傅里叶级数表达式的数值积分 431

A5.1 二重傅里叶积分的表达 431

A5.2 内积分的解析解 433

A5.3 外积分的数值积分 434

总参考文献 436

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