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出版者:机械工业出版社

作者:常晓玲 编

出品人:

页数:327

译者:

出版时间:2004-1

价格:26.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787111136040

丛书系列:

图书标签:

• 4
• 电气控制
• PLC
• 可编程控制器
• 自动化
• 工业控制
• 电路
• 电机控制
• 传感器
• 控制系统
• 电气工程

《现代电力电子技术与应用》内容简介 本书聚焦于电力电子技术的前沿发展与实际应用，深入剖析了从器件到系统级的关键理论与工程实践。旨在为电气工程、自动化、新能源科学等领域的专业人士及高年级本科生、研究生提供一本全面、深入且具有指导意义的技术参考书。 --- 第一部分：电力电子器件与基础理论 本部分是理解现代电力电子系统的基石，详细介绍了构成电力变换器和控制系统的核心电子元件及其工作机理。 1. 功率半导体器件的演进与特性 本书首先回顾了晶闸管（SCR）到现代功率器件的发展历程，重点剖析了以下几种核心器件的物理结构、驱动原理、开关特性及热管理要求： MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）： 详细分析了其在低压大电流应用中的优势，包括导通电阻（$R_{DS(on)}$）的优化、米勒平台效应以及高频开关下的损耗模型。 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）： 深入探讨了IGBT的电流限制机制（饱和压降与拖尾电流的权衡），以及在电机驱动和高压逆变器中的应用限制。 SiC（碳化硅）与 GaN（氮化镓）器件： 专门开辟章节介绍第三代半导体材料的独特优势，如极高的禁带宽度、电子迁移率和热导率。详细阐述了它们如何实现更高开关频率、更低损耗和更高功率密度，并讨论了其在高频电源和电动汽车（EV）中的应用挑战（如栅极驱动的鲁棒性）。 2. 功率器件的驱动与保护 成功的电力电子系统依赖于精确且可靠的驱动信号。本章详细讲解了： 隔离技术： 介绍了光耦、磁耦和电容耦等驱动隔离技术，并分析了它们在共模瞬态抗扰度（CMTI）方面的表现。 死区时间（Dead Time）的精确控制： 讨论了死区时间对谐波、开关损耗和直流电流纹波的影响，并介绍了基于数字信号处理（DSP）的自适应死区时间补偿方法。 过流、过温保护策略： 阐述了如何利用快速采样和欠压锁定（UVLO）机制设计多层级的器件保护电路，以确保器件在瞬态过载时不被损坏。 3. 基础电路拓扑分析 本部分系统梳理了电力电子变换器的基本拓扑结构： DC-DC 变换器： 深入分析了不控整流、有源钳位（Active Clamp）Buck、Boost 及其交错（Interleaved）拓扑，并引入了准共振（QR）和软开关（Soft-Switching）技术，以期最小化开关损耗。 逆变器原理： 重点讲解了单相和三相电压源逆变器（VSI）与电流源逆变器（CSI）的调制技术，包括正弦脉宽调制（SPWM）、空间矢量调制（SVM）的原理推导与实现。 --- 第二部分：高级调制技术与控制策略 本部分从控制系统的视角出发，探讨如何精确、高效地控制电力电子系统输出所需的电压和电流波形。 4. 脉宽调制（PWM）的深度解析 本书超越了基础的SPWM，深入探讨了提高系统性能的先进调制技术： 空间矢量调制（SVM）： 提供了三相电压矢量在静止坐标系（$alpha-eta$）和旋转坐标系（$d-q$）中的几何意义。详细推导了零矢量、基本电压矢量和扇区选择算法，并对比了三电平、五电平逆变器中的SVM实现。 无开关损耗调制（ZVS/ZCS）： 针对高频应用，详细介绍了如何通过优化拓扑结构和控制序列，实现零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS），从而大幅提高系统效率。 低谐波调制： 针对电网侧应用（如有源滤波器），介绍了谐波抑制调制（HIM）和非线性调制技术，用以优化输出电流的谐波含量。 5. 经典与现代控制理论在电力电子中的应用 控制是电力电子系统的“大脑”。本章将理论控制方法与实际应用相结合： 线性控制： 详细讲解了基于传递函数模型的双环（电流环与电压环）解耦控制设计，包括PI控制器的参数整定方法（如$ ext{ISE}$或$ ext{IAE}$准则）。 滑模控制（SMC）： 探讨了SMC在处理非线性和不确定性（如负载变化、器件参数漂移）方面的优势，并提出了如何克服抖振现象的改进策略（如利用高阶滑模）。 预测控制（MPC）： 重点介绍了基于模型的预测控制（MPC）原理。阐述了如何利用系统状态方程对未来有限个时间步进行评估和选择最优开关动作，特别是在高功率密度变流器中的应用潜力。 6. 系统辨识与参数估计 为实现自适应控制，准确掌握系统参数至关重要。本章介绍了： 在线参数辨识： 利用最小二乘法（Least Squares）或递推最小二乘法（RLS）在线估计逆变器的等效电感、电阻及负载参数。 状态观测器设计： 使用卡尔曼滤波器（Kalman Filter）或Luenberger观测器对系统内部难以直接测量的状态变量（如电机转子位置、直流链电压的纹波）进行精确估计。 --- 第三部分：关键工程应用实例分析 本部分将前述理论应用于当前电力电子领域中最具挑战性和前瞻性的几个应用场景。 7. 电机驱动系统的高性能控制 本书针对交流和直流电机驱动，提供了深入的控制方案： 矢量控制（FOC）： 详细推导了三相交流同步电机（PMSM）在$d-q$坐标系下的数学模型，重点讲解了磁链观测器设计、转矩/磁链解耦控制以及基于高频注入的转子位置无传感器控制技术。 直接转矩控制（DTC）： 对比了FOC的带宽限制，介绍了DTC的快速动态响应特性，并分析了其输出电流纹波与开关频率的关系，提出了基于扇区的优化DTC方法。 高精度速度和位置控制： 讨论了电流环、速度环、位置环的层次结构，并引入了前馈控制和扰动观测器（DOB）以提高系统的鲁棒性。 8. 电能质量控制与并网技术 针对电能质量（PQ）问题和可再生能源并网，本书侧重于交流侧的控制技术： 并网逆变器（Grid-Connected Inverter）： 详细分析了并网点的阻抗模型，以及如何利用锁相环（PLL）技术实现与电网的精确同步。 有源电力滤波器（APF）： 介绍了基于$ ext{p-q}$理论（瞬时无功功率理论）和基于$ ext{dq}$变换的电流指令提取方法，用于快速补偿电网谐波和无功功率。 低开关频率并网： 针对大功率并网应用，探讨了基于线电压过零点调制的拓扑（如线阻抗箝位 LLC），以实现高效率和低谐波注入。 9. 新能源与储能系统的电力变换 本书紧跟能源转型趋势，涵盖了储能和分布式发电的核心变换技术： 双有源桥（DAB）变换器： 深入分析了DAB在高压直流隔离和双向功率传输中的应用。详细推导了基于相移控制（Phase Shift Control）的功率传输方程，并讨论了在不同负载下的效率优化策略。 电池管理系统（BMS）中的DC/DC： 针对锂电池的特性，介绍了恒流/恒压（CC/CV）充电策略的实现，以及如何设计具有双向工作能力的升降压拓扑。 孤岛模式与电网支撑： 阐述了微电网中储能系统在电网故障时如何快速切换到电压源模式，维持局部系统的电压和频率稳定。 --- 结语 《现代电力电子技术与应用》力求在理论深度与工程实用性之间取得完美的平衡。书中包含大量由实际硬件平台验证的仿真结果和实验波形，帮助读者将抽象的数学模型转化为可操作的工程解决方案。本书适合作为高层次专业教材，同时也是电力电子工程师和研究人员手中不可或缺的工具书。

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这是一本在深度和广度上都做得非常出色的技术读物。我特别关注了其中关于“传感器技术在复杂环境下的信号调理”这一章节。作者细致地分析了噪声抑制、漂移补偿以及如何在高湿度或强磁场环境下保证采集信号的准确性，这在实际的户外或高温车间项目中至关重要。不同于市面上很多只关注于软件编程的书籍，此书平衡了硬件选型、信号处理和逻辑控制这三大支柱。书中对“故障安全（Fail-Safe）”设计的论述非常系统化，从电源中断到执行器卡死等多种异常情况，都提供了相应的硬件和软件防护措施的实例。这本书的价值在于，它不仅教会了你如何让系统跑起来，更重要的是，教会了你如何设计一个能够长期、稳定、安全运行的工业控制大脑。

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翻开这本讲述控制系统的书，我首先被其严谨的学术态度所折服。它在阐述基础电磁学原理与电机驱动特性时，引用的公式和推导过程都无可挑剔，充分体现了作者深厚的专业功底。尤其值得称赞的是，书中对“伺服系统”和“步进电机”在精密定位控制中的性能对比，不仅分析了它们的动态响应曲线，还结合了实际的负载惯量匹配问题进行了深入的建模和仿真讨论。这部分内容对于从事高端数控设备开发的人员来说，无疑是一份宝贵的参考资料。作者似乎非常注重理论与实践的结合点，书中穿插的若干大型工业案例分析，比如某大型生产线能耗优化方案，展示了如何将复杂的控制理论转化为切实可行的节能措施。整本书的逻辑结构如同一个精密的齿轮组，层层递进，让人在阅读中感受到知识的严密性和逻辑的不可撼动性。

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这本关于电气控制系统的专著，着实让我大开眼界。书里对工业自动化领域中核心的逻辑控制原理阐述得极为透彻，尤其是针对那些复杂的继电器电路和现代变频调速技术的解析，简直是教科书级别的。我印象最深的是作者对于不同厂家PLC（可编程逻辑控制器）之间编程指令集差异的比较分析，那部分内容详实且极具实用价值。它不仅仅停留在理论层面，更深入到了实际工程应用中的故障排查和优化策略。举例来说，书中关于“循环冗余校验（CRC）”在数据通信中的应用解析，以及如何通过优化扫描周期来提升系统实时性，这些都是我在实际工作中常常遇到的瓶颈，但这本书提供了一套清晰的解决框架。读完后，感觉自己对整个电气控制系统的设计理念和底层逻辑的理解提升到了一个新的高度，为我后续的系统集成工作打下了坚实的基础。

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这本书的阅读体验非常流畅，作者的文笔带有强烈的启发性，总能引导读者去思考“为什么”而不是仅仅停留在“是什么”。我特别欣赏书中对“人机交互界面（HMI）”设计原则的讨论。它不是简单地罗列按钮和指示灯的功能，而是从操作员的认知心理学角度出发，探讨如何设计出最不容易出错、最高效的监控界面。书中提到的一些关于报警管理和事件记录的规范，对于提升工厂的SOP（标准操作程序）具有直接的指导意义。此外，书中对“冗余设计”和“容错机制”的讲解也非常到位，清晰地展示了在关键生产环节中，如何通过硬件和软件的双重备份来确保生产连续性。整体感觉，这本书更像一位经验丰富的老专家，在手把手地指导你如何从“能用”迈向“好用”的控制系统。

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说实话，我一开始还担心内容会过于枯燥和理论化，但这本书却以一种非常贴近实际操作的视角切入了控制系统的核心。它没有花费大量篇幅去讲解那些我已经熟知的基础电路符号，而是直奔主题，探讨了如何构建一个健壮、安全、可扩展的自动化控制架构。书中对“网络化控制”和“工业物联网（IIoT）”的趋势把握得非常精准，其中关于OPC UA协议在数据采集和互操作性方面应用的章节，是我认为全书最出彩的部分之一。作者用简洁明了的图示解释了复杂的数据流向，使得原本晦涩难懂的通信协议变得清晰易懂。对于我们这些需要维护老旧系统同时又要引入新一代智能制造技术的工程师来说，这本书提供了一个很好的过渡和桥梁作用，帮助我们在“传统”与“未来”之间找到平衡点。

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