《电力电子学与变频传动技术和应用》

现在我很自豪地把这本书献给全世界的电力电子界的朋友们。这本书与我以往的几本书不同,它不是一本论文集,而是一本统一构思的完整著作。众所周知,电力电子学与变频传动是电工学科中一个发展很快的多学科交叉的领域。实际上,要撰写一本包括全部内容的著作,由一位专家是难以完成的,为此,本人遴选了该领域中的几位主要专家,邀请他们各自撰写一章他们熟悉的那方面内容。实际上,本书各章内容是在美国电工电子学会1994年8月出版的汇刊专辑的基础上改写和补充而成的。

我们确实为我们有幸成为电力电子行业中的一员而感到无比自豪。我亲眼看着这个学术领域像一棵大树那样一寸一寸地成长起来,从晶闸管发展到大功率晶体管,到直流传动到微处理器,到高级的变换器,到交流传动,到无速度传感器控制,到辨识,到智能控制等等。在我有生之年,我幸运地看到现代电力电子技术从生根到成长为枝繁叶茂树木的全过程,并得到广泛的承认。在21世纪,我们将会看到电力电子学对于工业自动化、交通运输、城市供电、节能、环境污染控制等方面发展所产生的巨大推动作用。从工业电子学诞生之日算起,电力电子学的发展已有近100年历史。要是它再早100年诞生或许就好了,那样我们就会感受到它的成熟和广泛应用。

现在让我做一全面的历史回顾。众所周知,世界工业文明大约起源于200多年前的1785年,那年瓦特发明了蒸汽机,这是工业革命的开始,人力逐渐被机械动力所代替。19世纪末,内燃机的发明给了这个发展趋势以更大的推动。也就是在这个时期(1888年),尼·特斯拉发明了工业用感应电动机。直流电机和同步电机也分别在其前后研制出来。随着电机的出现和电力的应用,新的电气化时代开始了。后来,在1948年,晶体管的发明(发明人是Bardeen,Brattain 和 Shockley)标志现代电子时代的开始。接着,半导体电力电子器件、电子计算机、机器人,通讯等现代技术相继问世,半导体电力电子常被视为第二次电子革命,它的重要意义就在于电力电子学把机械时代、电气时代和电子时代开创的技术融合在一起。它确实是一门学科交叉的技术。

当我们即将跨人 21世纪工业革命,人类社会正处在光辉顶峰并收获着现代科学技术的各种成果之际,我们必须看到,在魅力和丰硕果实的背后,还存在人们遭受苦难的阴暗面。具有讽刺意味的是,地球上55 亿人口中有85%以上的人仍忍受着贫穷、饥饿和病痛的折磨。在少数人生活富裕而绝大多数人受苦的情况下,怎能说这个世界是个幸福、健康的乐园呢?地球母亲的资源看来还是丰富的,特别是在拥有现代科技的今天更是如此,足以为所有的人们提供良好的生存条件。我呼吁所有电力电子界的同行们,勇敢地前去以无私、仁慈、同情怜悯和爱心来回报社会。这个社会为我们的成功而付出的太多太多。让我们在全世界电力电子是一家的旗帜下去完成这个神圣的使命吧。

下面让我介绍一下本书的概貌。本书可以说是关于电力电子学与变频传动领域发展现

状的最新评述。在这个多学科交叉领域中,包括有电力半导体器件,电机、变换器电路、脉宽调制技术、交流电机传动、仿真技术、估值与识,微处理器和人工智能技术等方面，我们的目标是使本书成为本学科领域工程技术人员必备的技术指南。本书的读者对象应当是已具

备电力电子学与变频传动方面的基础知识的人。本书的导论是由本人撰写的,它勾面了整个技术的轮，在一定意义上,它起着关联后续各章内容的作用,我们不准备讨论任何基础性的内容,实际上,限于本书的写作目的,在各章中也不可能讨论那些基础性的东西，

第1章,“变频传动电力半导体器件”是由Babg教授撰写的。本章对电力电子器件做了综述,这些器件有 MOSFET,IGBT,MOS 控制的品闸管(MCT),功率整流管以及智能化功率控制芯片等,特别着重介绍了传动应用方面的内容。文中特别突出地介绍了MOS控制型器件,这是由于近年来它在传动应用中具有重要作用,对于由传统的硬开关技术实现的变器的报耗进行了分析,并对使用不铜器件构成的桥的损耗进行了对比,如果采用软开关技术,特别是使用MCT这类的器件,损耗将会降低。目前的器件都是由清一色的硅材料制造的,新一代碗化硅材料表明,提耗可望有大幅度的降低。

第2章,“传动装置中的电机"是由Slemon 教授撰写的，首先对用于变频传动的各种电机做了综述,如感应电机、永同步电机、永磁梯形电机、永磁磁阻电机、开关磁阻电机,绕线励蛋同步电机等。对于直流电机的特点以及传统的调速传动问题进行了讨论。对各种类型电机的应用领域也做了详尽的评述。本章综合提出了合理选择拖动形式的建议和详细评估各种拖动形式的设计指标,诸如初期投资、运行费用、动态性能、可维修性、坚固性、重量、环境可接受性等。

第3章,“用于传动的电力电子变换器"是由vanWyk数授写的。本章重点对传动用变换器发展做了历史展望,综合分析了可能的拓朴结构并描述了其功能特性,文章从开关数的一般性结果开始,概括了各种拓朴结构形式,其中包括现代的带谐振中间环节的变换器，本文还涉及缓冲电路,电磁学、冷却,保护以及变换器组装等方面的内容，本章最后还附

有一个内容全面的参考文献目录。

第4章,“电子功率变换的脉究调制技术"是由Holtz教授撰写的。本章讲述的是现代脉宽调制技术。综述了空间天量原理并讨论了PWM的性能指标,如谐电流及其频谐分布谐波转矩、开关损耗以及动态性能等，PWM 技术大致可划分为开环或前馈方式和闭环或反缋方式两种。在开环方式中讨论了次振荡、改进型次振荡,空间关量调制、同步载被调制、指定诺波消除、最优次谐波等方法,在闭环方式中讨论了电流滞环控制、次振荡电控制、空间电流矢量控制、预测电流控制,轨迹跟踪控制等方法。第5章,“感应电动机驱动的运动控制"是由Lorenz、Lipo 和Novotny 教授撰写的，本章首先介绍了用于感应电动机堅动的电压源逆变器和电流源逆变器。文中特别着重地介绍了伺股系统最新的矢量或磁场定向控制方法。综合评述了通常用于失量控制的基波电流控制PWM 法。本章还讨论了磁通和转矩的估值及其控制,介绍了现代的传动系统自需定和自校正技术。第6章,“永磁交流电机的变频传动"是由Jahns撰写的，本章对于梯形磁场和正弦波磁场永磁电机控制做了全面介绍。对于电机的工作原理、变换器,控制以及取消位置传感器等问题,结合应用实例做了深人的综合分析，最后对今后的技术发展趋势做了探讨。

第?章,“大功率工业传动"是由Sremmmler 教授撰写的。本章综述了大功率传动的主要形式:交交变频器供电的同步电动机传动、带转差功率回收的绕线转子感应电动机转动、由电压源逆变器和电流源逆变器供电的感应电动机和同步电动机传动等。讨论了传动系统的电机和变换器的选型,设计,性能以及应用范围等问题。对每种类型传动的未来发展前景均做了评述。

第8章,“电力电子与运动控制系统的仿真"是由Mohan、Robbins、Aga、Rastogi 和Nat撰写的，本章首先讨论了对电力电子设进行仿真的必要性,综合介绍了传统的仿真工具和广泛使用的数字仿真程序软件,如SPICE,EMTP和MATLAB/SIMULINK。特别使人感兴趣的是利用SIMULINK、PSPICE和ATP(EMTP的一个版本)对关量控制的感应电动机传动系统进行的仿真。最后讨论了对电力半导体器件建模问题的展望，第9章,“交流传动的估值、辨识和无速度传感器控制"是由小西孝平、松井雪部野和堀余一撰写的。本章讨论的是目前研究开发的热点课题。讨论了反馈控制信号的估值问题(相当于无传感器控制)和变频传动系统中交流电机(感应电动机和永磁同步电动机)的参数辨识问题,还包括有机械扰动转矩的估值和控制等问题，第10章,“电力电子与传动控制中的微处理器和数字集成电路"是由Le-Huy 写的。本章全面论述了数字控制原理、微控制器(即单片机),高级微处理器和ASIC(专用集成电路)等技术，综述了硬件设计、软件设计、实际系统的系统测定,文中给出了永磁同步电机驱动的电动汽车和用并行微处理器控制的感应电动机驱动系统的应用实例。最后讨论了未来的发展趋向。

最后一章,第11章,“专家系统,模糊逻辑和掉经网络在电力电子和传动系统中的应用"是由本人撰写的,基于人工智能技术的智能控制可能是电力电子学中的最活跃的领城,本章用简洁的语言讨论了专家系统,模糊逻辑和神经网络的原理,并附有若干应用实例,论述了各控制技术的设计方法,由于电力电子界对这都分内容较为生疏,故在本章来尾增加了一份详细的专业词汇表,我认为,神经模糊控制技术在不远的将来在电力电子领域将产生深刻面持久的影响。

B.K.博斯

田纳西大学