具体描述
本书从常用低压电器的工作原理及应用方法开始，系统地介绍了常规电气线路的基本控制原则和基本控制环节，分析了典型生产机械的常规电气控制电路，叙述了三菱FX2N和西门子S7两种可编程控制器的工作原理及应用方法；介绍了常规电气控制系统、PLC控制系统的设计方法及设计步骤。另外，结合现代制造技术的发展，论述了数控设备的电气控制系统及CNC系统内置PLC（PMC）的程序设计方法，并结合近年来工业控制组态软件及人机界面的广泛应用，扼要介绍了组态王软件和触摸屏产品的应用实例。PLC与PMC程序结构均有丰富的设计示例。
本书的特点：本着专业技术课程切合工程应用的教学原则，层次清晰的构建了电气控制技术从常规控制到微机化PLC控制的完整体系，并延伸到数控机订的电气控制系统和CNC内置PLC的程序结构。注重理论联系实际，突出现代电气控制的新技术和新产品。各章均有丰富的设计实例和习题，有利于学生掌握电气控制原理和工程设计方法。
本教材可作为高等工科院校电类、机电类专业的现代电气控制技术教材，也可作为高职高专教育、成人教育的电气控制与PLC相关课程教材，还可以供机电行业的工程技术人员作参考书或培训教材。
《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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