目錄
電氣自動化新技術叢書序言
前言
第1章電力電子器件及其應用1
1.1概述1
1.2雙極晶體管（BJT）2
1.2.1BJT的發展3
1.2.2BJT的主要參數3
1.2.3BJT的安全工作區5
1.3電力MOS場效應晶體管（MOSFET）6
1.3.1特性及參數6
1.3.2使用注意事項7
1.3.3新材料碳化硅制成的MOSFET器件8
1.4絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）9
1.4.1IGBT產品簡介9
1.4.2IGBT的原理與符號簡介9
1.4.3IGBT的主要參數10
1.4.4IGBT的基本特性11
1.4.5IGBT的選擇與保護12
1.4.6使用IGBT的注意事項17
1.4.7IGBT安全工作區（SOA）18
1.4.8IGBT的驅動19
1.4.9IGBT的並聯運行20
1.4.10高壓IGBT24
1.5其他電力半導體器件25
1.5.1門極關斷（GTO）晶閘管26
1.5.2場控晶閘管（MCT）27
1.5.3集成門極換向晶閘管(IGCT)28
1.6模塊化器件30
1.6.1三墾公司的SCM127xMF繫列30
1.6.2安森美半導體公司的SPM繫列36
1.6.3PIM模塊和PFC功能41
1.7基於寬禁帶半導體材料的電力電子器件42
1.7.1碳化硅（SiC）電力電子器件42
1.7.2氮化鎵（GaN）電力電子器件43
1.7.3金剛石電力電子器件44
參考文獻45
第2章通用變頻器的原理47
2.1概述47
2.1.1變頻調速概況47
2.1.2通用變頻器概況50
2.2變頻器的簡單原理54
2.2.1變頻調速的基本控制方式54
2.2.2變頻器的基本構成56
2.3變頻器的分類57
2.3.1按直流電源的性質分類57
2.3.2按輸出電壓調節方式分類59
2.3.3按控制方式分類59
2.3.4按主開關器件分類61
2.4通用變頻器中的逆變器及其PWM控制62
2.4.1PWM逆變器62
2.4.2SPWM控制62
2.4.3同步調制與異步調制65
2.4.4諧波分析與輸出電壓調節66
2.4.5諧波消去法69
2.4.6瞬時電流跟蹤控制71
2.5通用變頻器中的整流器72
2.5.1二極管整流器72
2.5.2斬控式整流器75
2.6變頻器傳動中的制動狀態82
2.6.1動力制動83
2.6.2回饋制動84
2.6.3采用共用直流母線的多逆變器傳動86
2.6.4直流制動88
2.7異步電動機變頻調速時的轉矩特性89
2.7.1以氣隙磁鏈為參變量的轉矩特性90
2.7.2以轉子全磁鏈為參變量的轉矩特性93
2.8通用變頻器的U/f控制94
2.8.1普通功能型U/f控制通用變頻器94
2.8.2高功能型U/f控制通用變頻器96
參考文獻102
第3章通用變頻器構成的調速繫統103
3.1使用通用變頻器的目的與效益103
3.1.1節能應用104
3.1.2提高生產率109
3.1.3提高產品質量111
3.1.4設備的合理化112
3.1.5適應或改善環境113
3.2使用通用變頻器的技術優勢113
3.3通用變頻器的功能116
3.3.1概述116
3.3.2變頻器參數功能的類型119
3.3.3功能設定概述120
3.3.4主要功能的說明120
3.4生產機械的驅動122
3.4.1生產機械的轉矩特性124
3.4.2生產機械的起動與制動126
3.5異步電動機的選擇129
3.5.1異步電動機形式與容量的選擇129
3.5.2負載功率的計算133
3.5.3選用異步電動機時的注意事項135
3.6變頻器及其外圍設備的選擇138
3.6.1通用變頻器的標準規格138
3.6.2變頻器類型的選擇139
3.6.3變頻器容量的計算140
3.6.4變頻器的外圍設備及其選擇142
參考文獻148
第4章通用變頻器的使用與維護149
4.1通用變頻器使用的一般知識149
4.1.1通用變頻器的銘牌149
4.1.2變頻器的結構150
4.1.3電磁兼容性150
4.1.4通用變頻器的認證152
4.2通用變頻器的安裝156
4.2.1變頻器的防護等級156
4.2.2變頻器的安裝環境156
4.2.3安裝空間157
4.3通用變頻器標準接線與端子功能159
4.3.1基本原理接線圖159
4.3.2主電路接線159
4.3.3控制電路接線161
4.3.4和制動電阻的選擇163
4.4變頻器的運行163
4.4.1通電前的檢查163
4.4.2繫統功能的設定164
4.4.3試運行165
4.4.4負載運行165
4.5變頻器的某些特殊功能166
4.5.1電動機轉矩提升的設定166
4.5.2跳躍頻率167
4.5.3瞬時停電再起動168
4.5.4第二電動機功能168
4.5.5火災模式168
4.6變頻器的維護與故障處理168
4.6.1日常維護與檢查169
4.6.2變頻器本身的保護功能171
4.6.3常見故障檢查與處理172
4.7使用變頻器時的注意事項176
4.7.1接線與防止噪聲時的注意事項176
4.7.2關於輸入與輸出的注意事項177
4.7.3用於特殊電動機時的注意事項178
4.7.4通用變頻器的可靠性179
4.8變頻器的測量與實驗方法180
4.8.1目前常見的測量儀表181
4.8.2變頻器的測量與儀表的選擇181
4.8.3輸入側的測量182
4.8.4輸出側的測量183
參考文獻184
第5章高性能通用變頻器的運行185
5.1高性能通用變頻器的結構類型185
5.2高性能通用變頻器的控制方法188
5.2.1矢量控制基本原理188
5.2.2采用PWM變頻器的矢量控制框圖191
5.2.3矢量控制相關概念193
5.2.4電壓空間矢量PWM控制（SVPWM）196
5.2.5直接轉矩控制（DTC）202
5.3高性能通用變頻器的選型與接線208
5.3.1高性能通用變頻器選型208
5.3.2主電路接線 208
5.3.3控制電路接線209
5.4高性能通用變頻器的繫統組態212
5.4.1212
5.4.2輸入輸出端子功能的設定213
5.4.3變頻器的功能數據組、塊與控制繫統結構216
5.4.4矢量控制的繫統組態218
5.5高性能通用變頻器的功能模塊222
5.5.1端子模塊TM222
5.5.2電壓監控模塊VSM223
5.5.3編碼器模塊SMC/SME223
5.5.4DRIVE-CLiQ集線器模塊DMC/DME223
5.6使用高性能變頻器時的注意事項223
5.6.1變頻器選型時的注意事項 223
5.6.2變頻器繫統組態時的注意事項224
5.7高性能變頻器舉例225
5.7.1ABB ACS880繫列變頻器225
5.7.2三菱FR800變頻器 230
5.7.3英泰P2繫列變頻器231
參考文獻232
第6章高壓變頻器233
6.1高壓變頻器的結構233
6.1.1高低高方式變頻器233
6.1.2高高方式變頻器234
6.2電流源型高壓變頻器235
6.2.1晶閘管電流源型變頻器236
6.2.2PWM式電流源型變頻器237
6.3三電平電壓源型高壓變頻器239
6.3.1三電平高壓變頻調速繫統主電路241
6.3.2三電平高壓變頻器基本原理242
6.3.3三電平空間電壓矢量控制算法248
6.3.4二極管箝位三電平電路的軟開關技術254
6.3.5三電平變頻器的派生方案255
6.3.6PWM整流器257
6串聯多電平電壓源型高壓變頻器259
6.4串聯多電平變頻器原理259
6.4.2多重化整流電路263
6.4.3多電平移相式PWM控制265
6.4.4其他派串聯式多電平技術方案269
6.5高壓變頻器的節能應用272
6.5.1泵與風機的主要特性及工作點273
6.5.2泵與風機的變頻調速節能原理274
6.5.3泵與風機的變頻節能計算276
6.5.4高壓變頻器調速的意義279
6.6高壓變頻器的現場應用280
6.6.1TMEIC MVG2高壓變頻器在豐南高爐電動機起動的應用280
6.6.2TMEIC傳動繫統在選礦大型磨機繫統的應用286
6.6.3TMEIC傳動在大型提升機繫統的應用291
6.6.4TMEIC公司XL繫列五電平電壓源型變頻器的應用295
參考文獻296
第7章通用變頻器的應用297
7.1通用變頻器在風機水泵負載中的應用297
7.1.1泵的特性分析與節能原理297
7.1.2變頻器恆壓供水繫統298
7.1.3變頻器在風機上的應用302
7.2通用變頻器在起重設備上的應用306
7.2.1通用變頻器在行弔上的應用306
7.2.2通用變頻器在塔弔上的應用309
7.2.3通用變頻器在橋式起重機上的應用314
7.2.4通用變頻器在建築起重機上的應用315
7.3通用變頻器在紡織行業的應用323
7.3.1紡織行業的應用背景323
7.3.2變頻器在整經機上的應用323
7.3.3變頻器在倍捻機上的應用325
7.3.4變頻器在開清棉機上的應用326
7.3.5變頻器在細紗機上的應用327
7.3.6紡織專用變頻器327
7.4通用變頻器在拉絲機行業的應用327
7.4.1拉絲機概述327
7.4.2變頻器在水箱式拉絲機上的應用328
7.4.3直進式拉絲機的介紹330
7.5通用變頻器在復合機設備上的應用332
7.5.1變頻器在常規復合機上的應用332
7.5.2變頻器在淋膜機上的應用333
7.6通用變頻器在立體車庫中的應用335
7.6.1立體車庫簡介335
7.6.2立體車庫的控制繫統337
7.6.3變頻器在平面移動類車庫中的應用337
7.6.4變頻器在垂直循環類車庫中的應用341
7.6.5變頻器在旋轉轉臺上的應用342
7.7通用變頻器在抽油機上的應用342
7.7.1變頻器在螺杆泵抽油機上的應用343
7.7.2變頻器在遊梁式抽油機上的應用347
7.7.3變頻器在天平式抽油機上的應用351
7.8通用變頻器在太陽能農田灌溉中的應用351
7.8.1太陽能供電繫統351
7.8.2變頻器直流供電及應用353
7.9通用變頻器的高頻應用356
7.10通用變頻器的軸發及DC-DC電源應用357
7.10.1軸帶發電機應用357
7.10.2變頻器DC-DC電源應用359
7.11通用變頻器的其他應用363
7.11.1變頻器在棒線材生產線上的應用363
7.11.2通用變頻器在葉輪給煤機中的應用367
參考文獻371
第8章變頻器的通信與網絡372
8.1概述372
8.2變頻器調速繫統通信網絡基礎373
8.2.1通信網絡模型與通信方式373
8.2.2串行通信接口375
8.2.3變頻調速繫統通信抗干擾技術380
8.3現場總線技術382
8.3.1常用的現場總線種類382
8.3.2現場總線控制繫統的特點385
8.4總線控制變頻繫統386
8.4.1總線控制變頻繫統的構成386
8.4.2Profibus現場總線技術在輸煤繫統變頻控制中的應用387
8.4.3CC-Link現場總線技術在調和罐變頻控制中的應用389
8.4.4DeviceNet總線技術在變頻恆壓供水控制繫統中的應用393
8.4.5Profibus/Modbus總線橋在變頻器組中的應用395
8.5PLC控制變頻繫統396
8.5.1由變頻器與西門子PLC組成的控制繫統396
8.5.2由變頻器與施耐德PLC組成的控制繫統401
8.5.3由變頻器與臺達PLC組成的銑邊機床繫統405
8.5.4由變頻器與歐姆龍PLC組成的動臂弔車控制繫統409
8.6變頻器的通信與網絡方案舉例413
8.6.1三菱變頻器、PLC和CC-link總線控制繫統舉例413
8.6.2 西門子S7-300 PLC和變頻器的液位控制繫統舉例417
8.6.3西門子PLC與變頻器間的Profibus現場總線通信舉例419
8.6.4西門子變頻器G120與1513 PLC間的ProfiNet通信舉例422
參考文獻432
部分模塊生產廠家和變頻器生產廠家簡介434

變頻技術的飛速進步和變頻器大規模的應用，增強了《通用變頻器及其應用》一書改版的迫切性。該書自1995年以來已經出版了3個版次，印刷發行了7萬餘冊，受到了學術界、工程界廣大讀者的普遍歡迎和關愛，我們深表感謝。
為了適應新技術的發展需要，經電氣自動化新技術叢書編輯委員會和機械工業出版社研究決定編寫第4版。其目的仍是為廣大讀者提供一本變頻調速技術的參考書，而特點仍然是以解決應用方面的問題為重點。
考慮到變頻調速的基本原理和知識的連貫性，第4版仍然包括電力電子器件、通用變頻器原理、通用變頻器構成的調速繫統、通用變頻器運行及維護和應用實例等方面的內容。與第3版比較，第4版有以下變動：
目前的通用變頻器廣泛使用IGBT器件，占的主導地位。但是從原理上來說，BJT的某些特性與IGBT有關，因此在第1章電力電子器件中，進一步壓縮了BJT的某些內容，僅保留了與IGBT有關的內容。在更新IGBT內容的基礎上，增添了IPM智能模塊的技術。由於新材料的使用，增添了SiC制成的MOSFET器件，體現出性能更優良和發展趨勢。由於IGBT的耐電壓和電流都在擴大，性能也在提高；同時考慮到壓縮全書的總字數，對於其他可關斷器件GTO晶閘管、MCT、IGCT等，在第3版的基礎又有進一步壓縮。
第2章前9節的基本原理部分做了適當調整，內容進一步壓縮，刪除了個別過時的例子。後兩節關於高性能變頻器的內容，綜合到第5章高性能變頻器中。
第3章未做大的改動，但是突出了更先進的控制方式：直接轉矩控制和SVPWM控制等。
第4章介紹通用變頻器的一般應用技術，進行了重新編寫，主要以英國英泰（Invertek）公司應用步驟非常簡捷的第三代矢量控制變頻器為例進行介紹。變頻器的電磁兼容和認證是廠家重視的問題，也是用戶關注的問題，本章增加了這方面的內容簡介。 
第5章高性能變頻器，將第3版的第2章中的高性能變頻器的理論移到本章。結合市場型號變頻器，介紹工程型高性能通用變頻器及其使用。
對第6章內容進行了整理和補充，66節中增加了高壓變頻器的現場應用的相關介紹，將東芝三菱電機工業繫統（中國）有限公司（TMEIC）的應用案例放在本節。
完全重新編寫了第7章，全部使用變頻器繫列，在有代表性的應用實例中，盡量采用型號的變頻器。
由於技術的發展，變頻器運行的網絡化發展很快，因此重新編寫了第8章。
本書由滿永奎、王旭主編，第1章由杜遠鵬、楊傑編寫；第2、3章由瀋陽理工大學李岩編寫；第4章由蔡看、滿永奎編寫；第5章由徐彬編寫；第6章由王旭編寫；第7章由蔡看、李岩、闫東、李明星編寫，蔡看、滿永奎組稿，張春友、王崔合、邵賢強、曹永剛、範少泉、李海濤、靳義新、李彬等參與了本章資料的整理工作；第8章、張秀明編寫；同時感謝闫東、劉尚玥、賈玉龍、邢海洋、高東旭對資料的收集、排版、整理等做出的努力。
全書由東北大學滿永奎教授和王旭教授主審。
編寫過程中，電氣自動化新技術叢書編輯委員會和機械工業出版社電工電子分社給予了極大的關心和支持。得到了東北大學信息科學與工程學院、瀋陽科來沃電氣技術有限公司，以及東北大學變頻器研究與應用中心同志的大力支持和協助。
本書在編寫過程中，得到了安森美公司、三墾電氣公司、嘉興斯達公司在電力半導體開關器件資料的支持和資金支持。在變頻器應用和通信章節中得到了變頻器廠家名錄中各公司的大力支持。
在此，作者向上述單位、專家、同行、同學致以由衷的謝意。
新版中難免有謬誤及不盡人意之處，懇請批評指正。來信請寄：瀋陽市東北大學信息科學與工程學院電氣工程繫，電話13840388226。

滿永奎2020年3月

科學技術的發展，對於改變社會的生產面貌，推動人類文明向前發展，具有極其重要的意義。電氣自動化技術是多種學科的交叉綜合，特別是在電力電子、微電子及計算機技術迅速發展的今天，電氣自動化技術更是日新月異。毫無疑問，電氣自動化技術必將在國家建設、提高國民經濟水平中發揮重要的作用。
為了幫助在經濟建設線工作的工程技術人員能夠及時熟悉和掌握電氣自動化領域中的新技術，中國自動化學會電氣自動化專業委員會和中國電工技術學會電控繫統與裝置專業委員會聯合成立了電氣自動化新技術叢書編輯委員會，負責組織編輯“電氣自動化新技術叢書”。叢書將由機械工業出版社出版。
本叢書有如下特色：
一、本叢書專題論著，選題內容新穎，反映電氣自動化新技術的成就和應用經驗，適應我國經濟建設急需。
二、理論聯繫實際，重點在於指導如何正確運用理論解決實際問題。
三、內容深入淺出，條理清晰，語言通俗，文筆流暢，便於自學。
本叢書以工程技術人員為主要讀者，也可供科研人員及大專院校師生參考。
編寫出版“電氣自動化新技術叢書”，對於我們是一種嘗試，難免存在不少問題和缺點，希望廣大讀者給予支持和幫助，並歡迎大家批評指正。

電氣自動化新技術叢書
編輯委員會