第3讲-变频器原理及应用资料优秀PPT.ppt

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1、第第3讲讲1变频器原理与应用（第2版）第2章总结总结功率二极管（功率二极管（D D）晶闸管（晶闸管（SCRSCR）门极可关断晶闸管（门极可关断晶闸管（GTOGTO）电力晶体管（电力晶体管（GTRGTR）功率场效应晶体管（功率场效应晶体管（P-MOSFETP-MOSFET）2变频器原理与应用（第2版）第2章2.6 2.6 绝缘栅双极晶体管（绝缘栅双极晶体管（IGBTIGBT）2.6.1 2.6.1 IGBTIGBT的结构的结构 a)b)c)d)a)b)c)d)图图2-242-24IGBTIGBT结构示意图、电路符号和等效电路结构示意图、电路符号和等效电路a)IGBTa)IGBT模块模块 b)IG

2、BTb)IGBT结构示意图结构示意图c)c)电路符号电路符号d)d)等效电路等效电路3变频器原理与应用（第2版）第2章2.6.2 2.6.2 IGBTIGBT的基本特性的基本特性 1)1)传输特性传输特性 2)输出特性输出特性 传输特性传输特性集电极电流集电极电流Ic-栅极栅极-放射极电压放射极电压UGEUGE输出特性输出特性集电极电流集电极电流Ic-集集-射极电压射极电压UCEUCEUCE4变频器原理与应用（第2版）第2章2.6.3 2.6.3 IGBTIGBT的主要参数（的主要参数（P26P26）1)1)集电极集电极-放射极额定电压放射极额定电压UCES UCES 2)2)栅极栅极-放射极

3、额定电压放射极额定电压UGES UGES 3)3)额定集电极电流额定集电极电流ICIC，4)4)集电极集电极-放射极饱和电压放射极饱和电压UEC(sat)UEC(sat)5)5)开关频率（开关频率（100kHz100kHz以下）以下）5变频器原理与应用（第2版）第2章2.6.4 2.6.4 IGBTIGBT的驱动电路的驱动电路 1）电压驱动，2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此IGBT对栅极电荷特别敏感，故驱动电路必需很牢靠，要保证有一个低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT的连线要尽量短。2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极限制电压有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损

4、耗尽量小。IGBT开通后，栅极驱动源能供应足够的功率，使IGBT不退出饱和而损坏。3）驱动电路要能传递几十kHz的脉冲信号。4）驱动电平+UGE的选择必需综合考虑。在有短路过程的设备中，由于负载短路时的IC增大，IGBT能承受短路电流的时间削减，对其平安不利，因此UGE应取得小一些，一般为1215V。5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，应施加一负偏压UGE，但其受IGBT的G、E间的最大反向耐压限制，一般取-1-10V。6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di/dt所形成的尖峰电压，确保IGBT的平安。7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与限

5、制电路在电位上应严格隔离。8）IGBT的栅极驱动电路应简洁好用，其自身带有对IGBT的爱护功能，有较强的抗干扰实力。6变频器原理与应用（第2版）第2章2.7 2.7 集成门极换流晶闸管集成门极换流晶闸管IGCTIGCT7变频器原理与应用（第2版）第2章2.8 2.8 智能功率模块智能功率模块(IPM)(IPM)8变频器原理与应用（第2版）第2章本本 章章 小小 结结基础学问基础学问 重点：常用电力电子器件的基本特性重点：常用电力电子器件的基本特性电力电子器件简介电力电子器件简介常用电力电子器件的基本特性常用电力电子器件的基本特性不控器件：不控器件：DIODE半控器件：半控器件：SCR，全控器件

6、：全控器件：GTO，GTR,P.MOSFET复合器件：复合器件：IGBT，IGCT功率集成电路：功率集成电路：IPM9变频器原理与应用（第2版）第2章第三章第三章 交交-直直-交变频技术交变频技术 图3-1 交-直-交变频器的主电路框图交交-直直-交交变频器：变频器：主电路包括三个组成部分：主电路包括三个组成部分：整流电路整流电路中间电路中间电路逆变电路逆变电路10变频器原理与应用（第2版）第2章3.1 整流电路整流电路 3.1.1 3.1.1 不行控整流电路不行控整流电路 不不行行控控整整流流电电路路运运用用的的元元件件：功功率率二二极管，极管，不不行行控控整整流流电电路路按按输输入入沟沟通

7、通电电源源的的相相数数不不同同分分：单单相相整整流流电电路路、三三相相整整流流电电路路和和多多相相整整流流电电路。路。1.组成：组成：三相桥式整流电路共有六只整流三相桥式整流电路共有六只整流二极管二极管，其中其中VD1、VD3、VD5三管子的三管子的阴极连接在一起，称为阴极连接在一起，称为共阴极组共阴极组；VD4、VD6、VD2三只管子的阳三只管子的阳 极连接在一起，称为极连接在一起，称为共阳极组共阳极组11变频器原理与应用（第2版）第2章三相不行控整流电路分析三相不行控整流电路分析2.2.原理：原理：共阴极组三只二极管共阴极组三只二极管VDVD1 1、VDVD3 3、D D5 5在在t t1

8、 1、t t3 3、t t5 5换流导通；换流导通；共阳极组三只二极管共阳极组三只二极管VDVD2 2、VDVD4 4、VDVD6 6在在t t2 2、t t4 4、t t6 6换流导通。换流导通。一个周期内，每只二极管导通一个周期内，每只二极管导通1 13 3周周期，即导通角为期，即导通角为120120。通过计算可得。通过计算可得到负载电阻到负载电阻 R RL L上的上的平均电压平均电压为：为：U Uo o=2.34=2.34U U2 2 12变频器原理与应用（第2版）第2章3.1.2 3.1.2 可控整流电路可控整流电路三相桥式全控整流电路，如图三相桥式全控整流电路，如图3-43-4所示。

9、所示。图图3-4 3-4 三相三相桥桥式可控整流式可控整流电电路路 1.组成：组成：三相桥式整流电路共有六只三相桥式整流电路共有六只晶闸晶闸管管，其中其中VT1、VT3、VT5三管子的三管子的阴极连接在一起，称为阴极连接在一起，称为共阴极组共阴极组；VT4、VT6、VT2三只管子的阳三只管子的阳 极连接在一起，称为极连接在一起，称为共阳极组共阳极组13变频器原理与应用（第2版）第2章2.2.电路工作原理电路工作原理 三相沟通电源电压uR、uS、uT正半 波的自然换相点为1、3、5，负半波的 自然换相点为2、4、6。当0时，让触发电路先后向各 自所限制的6只晶闸管的门极(对应自然 换相点)送出触

10、发脉冲，即在三相电源 电压正半波的1、3、5点向共阴极组晶闸 管VT1、VT3、VT5 输出触发脉冲；在三相 电源电压负半波的2、4、6点向阳极组晶 闸管VT2、VT4、VT6 输出触发脉冲，负载 上所得到的整流输出电压ud波形如图3-5b 所示的由三相电源线电压uRS、uRT、uST、uSR、uTR和uRS的正半波所组成的包络线。图3-5b 三相桥式全控电路电压波形 14变频器原理与应用（第2版）第2章3.3.可控整流电路限制原则可控整流电路限制原则 1)1)三三相相全全控控桥桥整整流流电电路路任任一一时时刻刻必必需需有有两两只只晶晶闸闸管管同同时时导导通通，才才能能形形成成负负载载电电流流

11、，其其中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。中一只在共阳极组，另一只在共阴极组。2)2)整整流流输输出出电电压压udud波波形形是是由由电电源源线线电电压压uRSuRS、uRTuRT、uSTuST、uSRuSR、uTRuTR和和uRSuRS的的轮轮番番输输出出所所组组成成的的。晶晶闸闸管管的的导导通通依依次次为为：（VT6VT6和和VT1VT1）（VT1VT1和和VT2VT2）（VT2VT2和和VT3VT3）（VT3VT3和和VT4VT4）（VT4VT4和和VT5VT5）（VT5VT5和和VT6VT6）。）。3)3)六六只只晶晶闸闸管管中中每每管管导导通通120120，每每间间隔隔6060有一只

12、晶闸管换流。有一只晶闸管换流。1）接受单宽脉冲触发，）接受单宽脉冲触发，2）接受双窄脉冲触发。）接受双窄脉冲触发。4.4.对触发脉冲的要求对触发脉冲的要求15变频器原理与应用（第2版）第2章 5.不同限制角时输出电压波形 6060时的电压波形时的电压波形 图图3-6 3-6 6060时的电压波形时的电压波形 三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路输出电压平均值计算三相桥式可控整流电路所带负载为三相桥式可控整流电路所带负载为电感性电感性时，时，输出电压平均值输出电压平均值可用下式计算可用下式计算 U Ud d=2.34=2.34U U2 2coscos 16变频器原理与应用（

13、第2版）第2章3.2 3.2 中中间电间电路路 变频器的中间电路有滤波电路和制动电路等不同的形式。3.2.1滤波电路 虽然利用整流电路可以从电网的沟通电源得到直流电压或直流电流，但是这种电压或电流含有频率为电源频率6倍的纹波，则逆变后的沟通电压、电流也产生纹波。因此，必需对整流电路的输出进行滤波，以削减电压或电流的波动。这种电路称为滤波电路。17变频器原理与应用（第2版）第2章1.1.电容滤波电容滤波 通常用大容量电容对整流电路输出电压进行滤波。由于电容量比较大，一般接受电解电容。二极管整流器在电源接通时，电容中将流过较大的充电电流(亦称浪涌电流)，有可能烧坏二极管，必需实行相应措施。图3-7

14、给出几种抑制浪涌电流的方式。a)接入沟通电抗 b)接入直流电抗 c)串联充电电阻 图3-7 抑制浪涌电流的方式18变频器原理与应用（第2版）第2章 接受大电容滤波后再送给逆变器，这样可使加于负载上的电压值不受负载变动的影响，基本保持恒定。该变频电源类似于电压源，因而称为电压型变频器。电压型变频器的电路框图如图3-8所示。电压型变频器逆变电压波形为方波，而电流的波形经电动机负载的滤波后接近于正弦波，如图3-9所示。图3-8 电压型变频器的电路框图 图3-9 电压型变频器的电压和电流波形 19变频器原理与应用（第2版）第2章2.2.电感滤波电感滤波 接受大容量电感对整流电路输出电流进行滤波，称为电

15、感滤波。由于经电感滤波后加于逆变器的电流值稳定不变，所以输出电流基本不受负载的影响，电源外特性类似电流源，因而称为电流型变频器。图3-10所示为电流型变频器的电路框图。图3-11所示为电流型变频器输出电压及电流波形。图3-10 电流型变频器的电路框图 图3-11 电流型变频器输出电压及电流波形 20变频器原理与应用（第2版）第2章3.3.制动电路制动电路 利用设置在直流回路中的制动电阻吸取电动机的再生电能的方式称为动力制动或再生制动。图3-12为制动电路的原理图。制动电路介于整流器和逆变器之间，图中的制动单元包括晶体管VB、二极管VDB和制动电阻RB。假如回馈能量较大或要求强制动，还可以选用接

16、于H、G两点上的外接制动电阻REB。图3-12为制动电路的原理图21变频器原理与应用（第2版）第2章3.3 逆变电路的工作原理及基本形式逆变电路的工作原理及基本形式 3.3.1 3.3.1 逆逆变电变电路的工作原理路的工作原理 逆逆变变电电路路也也简简称称为为逆逆变变器器，图图3-13a 3-13a 所所示示为为单单相相桥桥式式逆逆变变器器，四四个个桥桥臂臂由由开开关关构构成成，输输入入直直流流电电压压E E，逆逆变变器器负负载载是是电电阻阻R R。当当将将开开关关S S1 1、S S4 4闭闭合合，S S2 2、S S3 3断断开开时时，电电阻阻上上得得到到左左正正右右负负的的电电压压；间间

17、隔隔一一段段时时间间后后将将开开关关S S1 1、S S4 4打打开开，S S2 2、S S3 3闭闭合合，电电阻阻上上得得到到右右正正左左负负的的电电压压。我我们们以以频频率率f f交交替替切切换换S S1 1、S S4 4和和S S2 2、S S3 3，在在电电阻阻上上就就可可以以得得到到图图3-13b3-13b所所示示的的电电压压波形。波形。a)单单相相桥桥式逆式逆变电变电路路 b)工作电压波形 图3-13 逆变器工作原理 22变频器原理与应用（第2版）第2章3.3.2 逆逆变电变电路的基本型式路的基本型式 1.半桥半桥逆变电路逆变电路 图图3-14a 为为半半桥桥逆逆变变电电路路原原理

18、理图图，直直流流电电压压Ud加加在在两两个个串串联联的的足足够够大大的的电电容容两两端端，并并使使得得两两个个电电容容的的连连接接点点为为直直流流电电源源的的中中点点，即即每每个个电电容容上上的的电电压压为为Ud/2。由由两两个个导导电电臂臂交交替替工工作作使使负负载载得得到到交交变变电电压压和和电电流流，每每个个导导电电臂臂由由一一个个功率晶体管与一个反并联二极管所组成。功率晶体管与一个反并联二极管所组成。a)半桥逆变电路半桥逆变电路 b)工作波形工作波形图图3-14 半桥逆变电路及工作波形半桥逆变电路及工作波形23变频器原理与应用（第2版）第2章2.全桥逆变电路全桥逆变电路 电路原理如图3

19、-15a所示。直流电压Ud接有大电容C，电路中的四个桥臂，桥臂1、4和桥臂2、3组成两对，工作时，设t2时刻之前V1、V4导通，负载上的电压极性为左正右负，负载电流io由左向右。t2时刻给V1、V4关断信号，给V2、V3导通信号，则V1、V4关断，但感性负载中的电流io方向不能突变，于是VD2、VD3导通续流，负载两端电压的极性为右正左负。当t3时刻io降至零时，VD2、VD3截止，V2、V3导通，io起先反向。同样在t4时刻给V2、V3关断信号，给V1、V4导通信号后，V2、V3关断，io方向不能突变，由VD1、VD4导通续流。t5时刻io降至零时，VD1、VD4截止，V1、V4导通，io反

20、向，如此反复循环，两对交替各导通180。其输出电压uO和负载电流iO见图3-15b 所示。a)全桥逆变电路全桥逆变电路 b)工作波形工作波形 24变频器原理与应用（第2版）第2章第第4章章 交交-交变频技术交变频技术 4.1 4.1 单相输出交单相输出交-交变频电路交变频电路 4.1.1 4.1.1 电路组成及基本工作原理电路组成及基本工作原理 图图4-14-1是是单单相相输输出出交交-交交变变频频电电路路的的原原理理框框图图，电电路路由由P P（正正）组组和和N N（负负）组组反反并并联联的的晶晶闸闸管管变变流流电电路路构构成成，两组变流电路接在同一个沟通电源，两组变流电路接在同一个沟通电源

21、，Z Z为负载。为负载。交交-交变频器输出的方波交变频器输出的方波 如图如图4 42 2所示。所示。图图4-1 4-1 单单相相输输出出交交-交交变变频频电电路路的的原原理理框框图图 图图4-2 4-2 输出的方波输出的方波 25变频器原理与应用（第2版）第2章 为为了了使使输输出出电电压压的的波波形形接接近近正正弦弦波波，可可以以按按正正弦弦规规律律对对限限制制角角进进行行调调制制，即即可可得得到到如如图图4-34-3所所示示的的波波形形。调调制制方方法法是是，在在半半个个周周期期内内让让变变流流器器的的限限制制角角按按正正弦弦规规律律从从9090渐渐减小到渐渐减小到00或某个值，然后再渐渐

22、增大到或某个值，然后再渐渐增大到9090。图图4-3 4-3 单相输出交单相输出交-交变频电路输出沟通电压波形交变频电路输出沟通电压波形 26变频器原理与应用（第2版）第2章4.1.2 感阻性负载时的相控调制感阻性负载时的相控调制 假假如如把把交交-交交变变频频电电路路志志向向化化，忽忽视视变变流流电电路路换换相相时时输输出出电电压压的的脉脉动动重重量量，就就可可以以把把电电路路等等效效为为图图4-4a所所示示的的正正弦弦波波沟沟通通电电源源和和二二极极管管的的串串联联。其其中中沟沟通通电电源源表表示示变变流流电电路路可可输输出出沟沟通通正正弦弦电电压压，二二极极管管体体现现了了变变流流电电路

23、路只只允允许许电流单方向流过。电流单方向流过。图图4-4a 志向化交志向化交-交变频电路交变频电路 27变频器原理与应用（第2版）第2章4.1.2 感阻性负载时的相控调制感阻性负载时的相控调制 图图4-4b给给出出了了一一个个周周期期内内负负载载电电压压、电电流流波波形形及及正正负负两两组组变变流流电电路的电压、电流波形。路的电压、电流波形。图图4-44-4b 整流与逆变状态波形整流与逆变状态波形 28变频器原理与应用（第2版）第2章 图图4-5 4-5 单相输出交单相输出交-交变频电路输出电压和电流的波形图交变频电路输出电压和电流的波形图负组负组逆变逆变正组整流正组整流正组正组逆变逆变负组整

24、流负组整流29变频器原理与应用（第2版）第2章4.1.3 输入输出特性输入输出特性 1 1输输出上限出上限频频率率 就就常常用用的的6 6脉脉波波三三相相桥桥式式电电路路而而言言，一一般般认认为为，输输出出上上限限频频率率不不高高于于电电网网频频率率的的1/31/31/21/2。电电网网为为50Hz50Hz时时，交交-交交变变频频电电路路的的输输出出上上限限频频率率约约为为20Hz20Hz。2.2.输输入功率因数入功率因数 交交-交交变变频频电电路路接接受受的的是是相相位位限限制制方方式式，因因此此其其输输入入电电流流的的相相位位总总是是滞滞后后于于输输入入电电压压，须须要要电电网网供供应应无

25、无功功功功率率。从从图图4-34-3可可以以看看出出，在在输输出出电电压压的的一一个个周周期期内内，角角是是以以9090为为中中心心而而前前后后变变更更的的。输输出出电电压压比比越越小小，半半周周期期内内的的平平均均值值越越靠靠近近9090，位位移移因因数数越越低低。另另外外，负负载载的的功功率率因因数数越越低低，输输入功率因数也越低。入功率因数也越低。30变频器原理与应用（第2版）第2章交交-交变频器的交变频器的特点特点 1)1)因因为为是是干干脆脆变变换换，没没有有中中间间环环节节，所所以以比比一一般般的的变变频器效率要高。频器效率要高。2)2)由由于于其其沟沟通通输输出出电电压压是是干干

26、脆脆由由沟沟通通输输入入电电压压波波的的某某些些部部分分包包络络所所构构成成，因因而而其其输输出出频频率率比比输输入入沟沟通通电电源源的的频频率低得多，输出波形较好。率低得多，输出波形较好。3)3)由由于于变变频频器器按按电电网网电电压压过过零零自自然然换换相相，故故可可接接受受一一般晶闸管。般晶闸管。4)4)由由于于输输出出上上限限频频率率不不高高于于电电网网频频率率的的1/31/31/21/2，因因受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。受电网频率限制，通常输出电压的频率较低。5)5)交交-交交变变频频电电路路接接受受的的是是相相位位限限制制方方式式，因因此此其其输输入入电电流流的的相相位

27、位总总是是滞滞后后于于输输入入电电压压，须须要要电电网网供供应应无无功功功功率率。功功率率因因数数较较低低，特特殊殊是是在在低低速速运运行行时时更更低低，须须要要适适当当补偿。补偿。31变频器原理与应用（第2版）第2章4.2 4.2 三相输出交三相输出交-交变频电路交变频电路 三三相相输输出出交交-交交变变频频电电路路主主要要应应用用于于大大功功率率沟沟通通电电机机调调速速系系统统，三三相相输输出出交交-交交变变频频电电路路是是由由三三组组输输出出电电压压相相位位各各差差120120的的单单相相交交-交交变变频频电电路路组组成成的的，所所以以其其限限制制原原理理与与单单相相交交-交交变变频频电

28、电路路相相同同。下下面面简简洁洁介介绍绍一一下下三三相相交交-交交变变频电路接线方式。频电路接线方式。4.2.1 4.2.1 公共沟通母线进线方式公共沟通母线进线方式 图图4-6 4-6 公共沟通母线进线方式的三相交公共沟通母线进线方式的三相交-交变频电路简图交变频电路简图32变频器原理与应用（第2版）第2章4.2.2 4.2.2 输出星形联结方式输出星形联结方式 图图4-7 4-7 输出星形联结方式的输出星形联结方式的三三相相交交-交变频电路原理图交变频电路原理图优点：优点：效率高效率高接近正弦波接近正弦波缺点：缺点：接线困难接线困难输出频率低输出频率低功率因数低功率因数低输入电流谐波大输入

29、电流谐波大应用：大容量低速应用：大容量低速33变频器原理与应用（第2版）第2章本本 章章 小小 结结 交-交变频就是把电网频率的沟通电变换成可调频率的沟通电，此类变频器能量转换效率较高，多应用于大功率的三相异步电动机和同步电动机的低速变频调速。但由于交-交变频输出频率低（一般为电网频率的1/31/2）和功率因数低，使其应用受到限制。34变频器原理与应用（第2版）第2章思索题思索题P32-1P44-1P52-4交作业时间：交作业时间：3月月20日日35变频器原理与应用（第2版）第2章第第5章章 高（中）压变频器高（中）压变频器 5.1 5.1 高（中）压变频器概述高（中）压变频器概述 5.1.1

30、 5.1.1 高（中）压变频器的分类高（中）压变频器的分类 高高（中中）压压变变频频器器按按主主电电路路的的结结构构方方式式分分为为交交-交方式和交交方式和交-直直-交方式。交方式。5.1.2 5.1.2 高（中）压变频调速系统的基本形式高（中）压变频调速系统的基本形式 （1 1）干脆高）干脆高-高型高型 干干脆脆高高-高高型型（也也有有的的称称为为干干脆脆中中-中中型型）变变频调速系统的电路结构如图频调速系统的电路结构如图5-25-2所示。所示。图图5-2 5-2 干脆高干脆高-高型变频调速系统高型变频调速系统36变频器原理与应用（第2版）第2章 （2 2）高）高-中型中型 高-中型变频调速

31、系统的电路结构如图5-3所示。图5-3 高-中型变频调速系统 （3 3）高）高-低低-高型高型 高-低-高型（有的也称为中-低-中型）变频调速系统的电路结构如图5-4所示。图5-4 高-低-高型变频调速系统37变频器原理与应用（第2版）第2章5.1.3 5.1.3 高（中）压变频器的应用高（中）压变频器的应用 1 1拖动风机或水泵拖动风机或水泵 2 2压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械压缩机、鼓风机、轧机或其它工作机械 (1)(1)可精确地调整速度或流量，保证工艺质量。可精确地调整速度或流量，保证工艺质量。(2)(2)可可干干脆脆与与工工作作机机械械耦耦合合，省省去去减减速速机机等等中中间间机

32、械环节，削减投资和中间费用。机械环节，削减投资和中间费用。(3)(3)可可接接受受计计算算机机或或PLCPLC的的模模拟拟或或数数字字信信号号，进进行实时限制，且限制性能优越。行实时限制，且限制性能优越。3 3要求起动性能好的机械要求起动性能好的机械 实实现现“软软”起起动动。电电机机速速度度从从零零起起先先起起动动：可可使使电电机机电电流流限限制制在在规规定定值值以以下下(一一般般在在额额定定电电流流的的1.51.52 2倍倍以以内内)，以以选选定定的的加加速速度度平平稳稳升升速速，直到指定速度。直到指定速度。38变频器原理与应用（第2版）第2章5.1.4 5.1.4 高（中）高（中）压变频压变频器的技器的技术术要求要求 1.1.牢靠性要求高牢靠性要求高 2.2.对电网的电压波动容忍度大对电网的电压波动容忍度大 3.3.降低谐波对电网的影响降低谐波对电网的影响 4.4.改善功率因数改善功率因数 5.5.抑制输出谐波成分抑制输出谐波成分 6.6.抑制共模电压和抑制共模电压和dududtdt的影响的影响 39变频器原理与应用（第2版）第2章练习练习试述交交变频器的主要特点。40变频器原理与应用（第2版）第2章