了得網研究生_開關型變換器建模與分析

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內容簡介

開關型變換器的建模與分析是研究開關型變換器動態特性的基礎。本書從開關型變換器的電網絡理論基礎開始，把開關型變換器作為一非線性負載討論瞬時功率理論；又對經典的開關型變換器電路拓撲進行分析、研究，得出一些可以遵循的規律，同時從能量回路、能量器件和能量控制的角度對開關型變換器繫統瞬態特性進行闡述；然後重點討論了基本開關型變換器的建模方法和閉環控制設計。希望本書能夠啟發學生和工程人員從宏觀和微觀兩方面來理解開關型變換器模型和分析。本書可作為普通高等學校電氣工程、自動化以及能源工程等專業的研究生教材或參考書，也可為工程技術人員進行電力電子繫統的研究設計提供參考。

作者簡介

高鋒陽，蘭州交通大學自動化與電氣學院副教授，碩士生導師，主要研究方向：主要從事大功率電源與交流調速技術以及數控機床技術。

第1章電網絡圖論基礎
1.1 圖的基本概念
1.1.1 圖
1.1.2 樹和基本回路
1.1.3 割集和基本割集
1.2 圖的矩陣表示及關繫
1.2.1 矩陣表示
1.2.2 矩陣A、B、Q之間的關繫
1.2.3 電路方程的矩陣表示
1.3 網絡的矩陣分析
1.3.1 支路的伏安特性
1.3.2 節點電壓法
1.3.3 移源法
1.3.4 回路電流法第1章電網絡圖論基礎
1.1 圖的基本概念
1.1.1 圖
1.1.2 樹和基本回路
1.1.3 割集和基本割集
1.2 圖的矩陣表示及關繫
1.2.1 矩陣表示
1.2.2 矩陣A、B、Q之間的關繫
1.2.3 電路方程的矩陣表示
1.3 網絡的矩陣分析
1.3.1 支路的伏安特性
1.3.2 節點電壓法
1.3.3 移源法
1.3.4 回路電流法
1.3.5 割集電壓法
1.4 平面電路的對偶及其對偶規則
1.4.1 電路的對偶性
1.4.2 電路的對偶規則
1.5 無源二端口網絡
1.5.1 二端口網絡的參數
1.5.2 二端口網絡綜合的參數性質C
1.5.3 LC二端口網絡的綜合
第2章瞬時功率理論
2.1 概述
2.1.1 功率定義
2.1.2 Budeanu理論
2.1.3 Fryze理論
2.1.4 Czarnecki理論
2.1.5 傳統功率理論的局限性
2.2 瞬時功率理論
2.2.1 pq理論
2.2.2 改進的pq理論
2.2.3 同步參考坐標變換瞬時功率理論
2.3 基於正交分量的功率理論
第3章開關型變換器拓撲理論
3.1 開關型變換器拓撲概述
3.2 開關型變換器拓撲規則
3.2.1 開關型變換器理想開關的定義
3.2.2 開關型變換器拓撲的基本
3.2.3 基本開關型變換器的拓撲組合規則
3.2.4 基於器件特性的變換器基本
3.3 開關型變換器的對偶設計
3.3.1 開關型變換件的對偶規則
3.3.2 基本開關型變換器的對偶設計
3.3.3 含有基本的開關型變換器的對偶設計
3.4 開關型變換器拓撲的三端開關模型法設計
3.5 基本開關型變換器的拓撲疊加設計
3.5.1 基本開關型變換器級聯疊加的基本規則
3.5.2 基本開關型變換器的級聯疊加設計舉例
3.5.3 DC-DC開關型變換器級聯疊加時的功率拓撲簡化
3.6 DC-AC級聯型組合變換器
3.6.1 DC-AC級聯型組合變換器拓撲結構
3.6.2 DC-AC開關型變換器的拓撲疊加設計舉例
第4章開關型變換器的瞬態能量交換
4.1 概述
4.2 開關型變換器的宏觀和微觀因素
4.2.1 功率損耗
4.2.2 評述功率開關器件
4.3 短時瞬態過程研究方法論
4.3.1 電路理論分析的局限性
4.3.2 短時瞬態過程論
4.4 瞬態過程的影響因素
4.4.1 失效機制
4.4.2 主電路
4.4.3 控制模塊與功率繫統的相互影響
4.5 短時瞬態過程的研究方法
第5章開關型變換器建模分析
5.1 概述
5.2 狀態空間平均法
5.2.1 狀態空間的基本定義
5.2.2 開關型變換器的變換方程
5.2.3 連續導通模式下的狀態空間平均法
5.3 PWM開關模型法
5.3.1 PWM開關的定義
5.3.2 PWM開關的端口特性
5.3.3 PWM開關的等效電路模型
5.3.4 開關型變換器的PWM開關模型
5.4 等效變壓器法
5.4.1 開關電路的等效變壓器描述
5.4.2 三相VSR等效變壓器dq模型電路
5.4.3 三相VSR等效電路簡化
5.5 典型的開關型變換器線性模型
5.5.1 三相二極管/晶閘管整流器
5.5.2 PWM升壓型整流器
5.5.3 三相PWM逆變器
5.5.4 矩陣式變換器
5.6 三相四橋臂逆變器的數學建模舉例
5.6.1 不同坐標繫下三相四橋臂逆變器的數學模型
5.6.2 不平衡負載下三相四橋臂逆變器的數學模型
5.6.3 非線性負載下三相四橋臂逆變器的數學模型
第6章脈寬調制技術
6.1 概述
6.2 SPWM技術
6.2.1 電壓正弦控制技術
6.2.2 電流正弦控制技術
6.3 SVPWM技術
6.4 三相VSR的空間矢量控制
6.4.1 三相VSR的一般數學模型
6.4.2 三相VSR空間電壓矢量分布
6.4.3 三相VSR空間電壓矢量的合成
6.5 三維SVPWM技術
6.5.1 基於靜止αβγ坐標繫的3D-SVPWM
6.5.2 基於靜止abc坐標繫的3D-SVPWM
6.5.3 3D-SVPWM算法的實現
6.5.4 3D-SVPWM的仿真驗證
6.6 三電平SVPWM技術
6.6.1 三電平空間矢量概述
6.6.2 查表式SVPWM矢量發生
第7章開關型變換器控制
7.1 概述
7.2 單相無源逆變器
7.2.1 逆變橋等效模型
7.2.2 輸出濾波器模型
7.2.3 單相無源逆變器模型
7.2.4 單相無源逆變器閉環控制模型
7.3 有源逆變器
7.3.1 有源逆變器L形濾波器
7.3.2 有源逆變器LCL形濾波器
7.3.3 有源逆變器並網功率調節
7.4 逆變器控制設計
7.4.1 PID控制
7.4.2 重復控制
7.4.3 狀態反饋控制
參考文獻

前言

開關型變換器繫統是一個帶有閉環控制的高階、非線性、時變繫統，不能利用經典控制理論進行分析與設計，這給開關型變換器繫統的動態分析和設計帶來了很大的困難。開關型變換器繫統理論是涉及半導體物理學、信號處理、控制理論、電路理論、計算機、機械設計、熱現像和電磁現像等多門學科的交叉學科，理解開關型變換器繫統理論需要從宏觀角度和微觀因素兩方面進行理解。開關型變換器的建模與控制是研究開關型變換器動態特性的基礎。然而，大多數人僅停留在控制、電路和拓撲的宏觀領域裡。開關型變換器設計常常是在經驗參數、令人難以信服的仿真、簡單的電氣和機械概念以及大量測試的指導下進行的，常被認為是一種純粹的應用工程甚至是一門技術。實現高性能、高可靠性和高設計準確度的途徑是將對宏觀控制的分析和對微觀瞬態過程的分析結合起來。為了建立一個精確的、有指導意義的理論框架，從各種開關型變換器拓撲中收集拓撲和控制分析數據是建立宏觀與微觀相結合的理論框架的步。因此，開關型變換器的建模與分析是電力電子學研究領域的重要內容之一。作者希望本書能夠啟發學生與工程人員從宏觀和微觀兩方面來理解開關型變換器的模型和分析。開關型變換器繫統是一個帶有閉環控制的高階、非線性、時變繫統，不能利用經典控制理論進行分析與設計，這給開關型變換器繫統的動態分析和設計帶來了很大的困難。開關型變換器繫統理論是涉及半導體物理學、信號處理、控制理論、電路理論、計算機、機械設計、熱現像和電磁現像等多門學科的交叉學科，理解開關型變換器繫統理論需要從宏觀角度和微觀因素兩方面進行理解。開關型變換器的建模與控制是研究開關型變換器動態特性的基礎。然而，大多數人僅停留在控制、電路和拓撲的宏觀領域裡。開關型變換器設計常常是在經驗參數、令人難以信服的仿真、簡單的電氣和機械概念以及大量測試的指導下進行的，常被認為是一種純粹的應用工程甚至是一門技術。實現高性能、高可靠性和高設計準確度的途徑是將對宏觀控制的分析和對微觀瞬態過程的分析結合起來。為了建立一個精確的、有指導意義的理論框架，從各種開關型變換器拓撲中收集拓撲和控制分析數據是建立宏觀與微觀相結合的理論框架的步。因此，開關型變換器的建模與分析是電力電子學研究領域的重要內容之一。作者希望本書能夠啟發學生與工程人員從宏觀和微觀兩方面來理解開關型變換器的模型和分析。
    本書共7章。第1章介紹開關型變換器的電網絡基礎，這有助於讀者理解開關型變換器繫統電路。第2章討論瞬時功率理論，開關型變換器作為一非線性負載，隻有使用瞬時功率理論對其產生的功率和諧波分量纔可以比較清楚地進行分析。第3章討論開關型變換器拓撲理論，對經典的電路拓撲進行分析、研究，得出一些可以遵循的規律。第4章分析一些常見的瞬態過程，從能量回路、能量器件和能量控制的角度對開關型變換器繫統進行闡述。第5章從基本變換器3種建模方法入手，討論基本開關型變換器的建模方法。通過對整流器和逆變器的線性建模討論，以期引導產生大信號繫統建模方法和分析方法。第6章講述開關型變換器的SVPWM調制技術。第7章以逆變器為例闡述開關型變換器的控制繫統設計。
    本書由高鋒陽擔任主編，編寫了第2、3、4、5章，並和楊劍鋒制訂了編寫提綱，楊劍鋒完成了統稿和第7章的審稿，章寶歌編寫第1章，王黎編寫第6章，徐順剛和高鋒陽共同編寫第7章。博士生導師莊聖賢教授對本書進行了詳細、全面的審核，並提出了許多寶貴的修改意見。路顏、喬垚、杜強、強國棟等研究生參加了本書的繪圖工作。作者對曾為本書提供支撐材料的工作人員和研究生表示感謝。
         特別要指出的是，書中部分資料來源於已經出版的文獻和發表的論文以及作者的工作成果。作者對本書使用其他作者公開發表的資料表示感謝。如果有任何資料來源被遺漏，作者對此表示誠摯的歉意，並將十分願意在新版本中對這一疏漏加以糾正。
        內容體繫是作者的一次大膽嘗試，錯誤在所難免。而且，作者在本書中提出了許多新概念，這些概念很可能還不夠嚴謹，有待進一步完善。作者歡迎讀者提出寶貴意見，這將有助於在本書再版時提高內容的質量。

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