《现代电力电子器件与交流传动》

自五十年代末晶闸管问世以来，电力电子器件便登上了现代科技的历史舞台。以晶闸管为基础组成的静止可控整流装置使直流传动占据了运动控制系统中的显著地位。然而品闸管毕竞是一种只能控制其导通而不能控制关断的半控型开关器件，在交流传动和变频电源的应用中遇到了麻烦，如果不附加强迫换流电路就无法使用。七十年代以后陆续发明的功率晶体管(GTR),门极可关断晶闸管(GTO)、功率MOS场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅极晶闸管(IGBT)、静电感应品体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等等，现在统称为第二代电力电子器件或功率集成器件，是既能控制其导通、又能控制其关断的全控型开关器件。它们的诞生扫除了构成简单、高效的电力电子逆变器中的障碍，使静止变频电源和交流变频传动进人了崭新的历史阶段。如果说在一百余年以前入类靠电磁感应原理发明变压器解决了大功率变压的问题，从此电能成为世界上最便于应用的能源形式;那么，随着大功率变频的突破，高效、节能、省材地使用电能的新时代正一步一步地到来，人类将会更科学更合理地用电，创造更加繁荣的物质文明和精神文明。八十年代中期又出现了第三代电力电子器件一功率集成电路(PowerIC)，进一步把功率等级不同的驱动、保护、检测和功率输出单元集于一体，使应用更为方便、可靠，正受到举世瞩目，被誉为第二次电子革命的前沿。电力电子器件的更新必然带来了各种电气装置的换代。用全控型器件取代半控型器件，就使传统的三相六拍逆变器逐步让位给高开关频率的脉宽调制(PWM)逆变器，使输出的正弦波形和电源侧功率因数都得到了显著的改善，而且减小了装置的体积，提高了系统的性能。因此，除了大功率装置以外，PWM变频技术已经在交流传动和电源装置中获得了日益普遍的应用。与此同时，脉宽调制技术本身也获得了迅猛的发展。开始是由模拟器件组成的PWM波形发生器，后来在应用微型计算机的基础上提出了各种各样PWM波实时生成软件，然后又发展了各种专用的PWM集成芯片，近来更大量应用着更高开关频率(达到20~100kHz，甚至更高)的电流滞环跟随型PWM电路。在电源装置中还出现了各类谐振式逆变器。如此等等，在整个变频领域内已经呈现出一片崭新的面貌。变频技术的飞跃发展当然改变了交流传动系统的面貌，与此同时，交流传动的控制技术也有了划时代的进展。七十年代初出现的矢量控制技术首次实现了高动态性能的交流调速系统，成为交流调速开始取代直流调速的里程碑。在矢量变换的基础上相继出现了磁通反馈矢量控制、转差型矢量控制、直接转矩控制等实用的系统，它们在实践上大大推进了交流传动控制的发展。然而在它们的控制理论应用上却还比较落后，以至于这些系统的调节器设计还停留在适用于直流传动系统的工程设计方法。问题的本质就在于没有用多变量系统的理论和观点来研究非线性、多变量、强耦合的交流传动系统，因而並没有真正弄清交流传动控制的规律。从多变量系统的观点上分析交流传动控制系统不仅可以阐明它的控制规律，而且更加新颖的交流传动控制策略也必将随之诞生。

纵览上述发展不难看出，当前的电力电子器件和交流传动控制技术正在日新月异地突飞猛进。1983年夏，中国自动化学会电气自动化专业委员会和全国高等学校工业自动化专业教育委员会曾分别在常州和昆明先后举办了“交流调速系统”的讲习讨论会，参加每次听讲的人数都在250人以上;与此同时，在东北地区和西北地区也举办了类似的讲习班。这些活动使1983年成为我国交流调速技术大普及的一年。自此以后，国内交流传动学术空气空前活跃，交流调速装置的生产也有很大的发展。然而这些年来国际上的发展更快，如前所述，现在的状况和1983年相比，可以说已经整整换了一代。因此，为了促使国内在这一领域中的工作跟上时代的进程，更为满足广大教育工作者、科技工作者更新高技术知识的需要，现在再继续举办全国性的交流传动技术讲习讨论会，应该说已经迫在眉睫了。为此我们两个学术和教育团体联合起来完成这项任务，进一步调动起全国同行们的积极性，再在全国范围内掀起一个有关交流传动技术的教学、科研和开发方面的攻关高潮，无疑是顺乎社会发展潮流的。为了办好讲习讨论会，我们组织编写了这本《现代电力电子器件与交流传动》做为教材。其主要内容包括两大部分:(1)现代的全控型电力电子开关器件及其应用;(2)现代PWM变频技术和交流变频传动系统。在这些方面，虽然国内已有不少引进技术，也有了一些白己的产品，但是对于其基本规律的认识显然是不足的。本书着重解决这个本质问题。本书第一章由刘宗富教授执笔;第二章山许广锡、陈报生副研究员执笔;第三章由王正元高级工程师执笔;第四章由陈敏逊教授执笔;第五章由陈伯时教授执笔。各章的编写大纲均请陈伯时教授审定。

本书涉及的新技术仍在不断地发展，面对这一现实，编写者也在不断地探索和研究。限于理论水平和实践经验，各章节的内容上有可能挂一漏万，选材上有可能落后于发展，阐述上有可能有错误;再加上多人执笔，编写风格各异，可能会给读者增加麻烦。除了诚恳地欢迎批评斧正外，编写者愿意在讲习讨论会上加以订正和补充。

中国自动化学会电气自动化专业委员会全国高等学校工业自动化专业教育委员会

一九九O年六月