本書在介紹常用電力電子器件的基本結構、工作原理和驅動技術基礎上，分析了電力電子變流設備保護的有關問題，對電力電子變流設備設計的方法和步驟進行了較為深入的討論。給出了23 種作者研制和調試的，并且投入工程實際中應用多年且證明十分成熟可靠的，以整流管、晶閘管、MOSFET、IGBT 為主功率器件的典型電力電子變流設備的設計和應用實例。本書對這些實例的電路原理、工作波形、保護措施、運行效果進行了較為細致的闡述，對其中個別電力電子變流設備給出了設計計算、結構方案和調試過程，給出了結論與啟迪。
本書是一本理論和實際緊密結合的實用技術書籍，其內容豐富，取材面廣，富有代表性，圖文并茂，通俗易懂，是從事電力電子變流設備及特種電源設計、調試、安裝和制造及研究開發(fā)的技術人員不可多得的實用參考書，也可供高等院校和職業(yè)院校從事電力電子行業(yè)及相近專業(yè)的廣大師生參考使用。
內容實用，可以解決工程中的實際問題，書中介紹的電路及實例已經過工程應用與檢驗，讀者可以直接應用。
前言
電力電子技術是電工技術領域的重要分支，是當今世界各發(fā)達國家競爭的一個高科技領域。由于采用電力電子技術可以達到廣泛的節(jié)能效果，實現(xiàn)生存環(huán)境及電網的綠色化，越來越受到各國政府的高度重視，越來越與人們的日常生活交織相融密不可分。
雖然電力電子技術的專業(yè)術語對于許多非此專業(yè)的人來說有些陌生，但電力電子變換在人類的生活中可以說無處不在，無時不用，已深入到工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、國防、環(huán)境保護、空間技術、海洋探秘和社會生活的各個方面。典型的應用領域包括電化學、直流牽引、直流調速、交流傳動、電機勵磁、電火花加工、電鍍、電冶、電磁合閘、充電、中頻及高頻感應加熱、交流及直流不間斷電源、開關電源、穩(wěn)壓電源、電力電子開關、高壓靜電除塵、直流輸電、無功補償、風力發(fā)電、環(huán)境保護、家用電器、儲能電站、航空器控制、感應電能傳輸、空間探測、遙測遙感、交通運輸、火災預防、醫(yī)療衛(wèi)生、防盜報警等諸多方面。盡管應用領域千差萬別，但總體上可將其變換分為交流到直流、直流到交流、直流到直流、交流到交流四大類。應當看到，應用電力電子器件在一定的控制手段下，實現(xiàn)某一特定功能的電力電子變換是根據(jù)終使用者的應用需求指標，經過設計、裝配、調試后交付終用戶使用，在應用過程中，總有電流（大小、交直流種類）的變化，因而通常將這類電力電子變換裝置又稱為電力電子變流設備。
在國內從事電力電子變流設備研究和生產的企事業(yè)單位有數(shù)千家，電力電子變流設備的用戶幾乎遍布全國各工業(yè)領域及民用企事業(yè)單位。許多單位的設計、裝配、調試人員急需得到有關電力電子器件原理、驅動及保護以及設計調試的系統(tǒng)實用技術資料。為了給電力電子變流設備設計、裝配和調試人員提供一本實用的有價值的參考書，根據(jù)自己多年從事電力電子變流設備研究、設計、調試和維修的經驗教訓和總結，撰寫了本書，以期對下列人員有所補益：
（1） 電力電子變流設備設計、制造企業(yè)的設計人員及現(xiàn)場調試人員。
（2） 電力電子變流設備使用單位從事設備運行管理、維護的人員。
（3） 上述兩種單位的操作及裝配人員。
（4） 高等院校的教師、研究生、本科生以及職業(yè)院校的師生。
（5） 各種職業(yè)培訓學校的教師及學員。
本人從西安交通大學畢業(yè)，分配到我國電力電子行業(yè)的歸口研究所西安電力電子技術研究所（原西安整流器研究所）工作10 年后調入大學，至今已近40 年，從事過變頻器、開關電源、感應加熱用中頻電源、交流調壓、交流調功、電化學、環(huán)境保護、有色冶金、核物理實驗、空間飛行器電熱模擬、飛行器用精密部件鑄造等類型的電力電子變流設備的科研及設計、調試工作。親自設計或主持設計的電力電子變流設備種類達 40 多個品種，已投入國內有色冶金、化工、鋼鐵、煤礦、核工業(yè)、國防、航天、航空等行業(yè)使用并出口到多個國家的總計近2000 臺（套）。本人亦曾主持了近50 多種電力電子變流設備控制板的研制及改進定型工作，這些控制板累計在國內使用達35 000 多塊，更為有幸的是主編或參編電力電子技術方面的實用技術圖書25 種，其中已公開出版22 種，這些經歷為本書的完成打下了堅實的基礎。
考慮到電力電子變流設備的種類繁多，內部結構千差萬別，所用電力電子器件不盡相同，使用領域多種多樣，功率容量有大有小，要逐個歸納總結全面系統(tǒng)地介紹設計與應用實例將是十分困難的，更是無法實現(xiàn)的。如何在眾多的電力電子變流設備中提煉總結，寫出真正可以解決讀者工作中實際問題的實用資料，是本書的真正困難所在。本書力求以國內工農業(yè)生產中使用量大面廣的電力電子變流設備為主線進行介紹，對近幾年新出現(xiàn)的電力電子器件，以及以這些器件為主開關器件處于研發(fā)階段的電力電子變流設備，或在國民經濟中使用量較少的電力電子變流設備，本書沒有涉獵，希望讀者能理解這一良苦用心。
各種電力電子器件的正確選擇使用，是電力電子變流設備成功設計的基礎，本書的第 1章對電力電子器件的結構和工作原理進行了介紹。第2 章分析了電力電子器件對驅動電路的要求，針對第1 章介紹的電力電子器件，給出了典型的驅動電路。第3 章對電力電子器件和電力電子變流設備常用保護器件、保護電路的分類、常用保護電路的設計原理進行了介紹，給出設計的幾種典型保護電路。第4 章對電力電子變流設備設計的概念、分類、要求、步驟和方法進行了介紹。第5 章探討了整流管串聯(lián)應用的均壓問題及并聯(lián)應用的均流問題，給出了4 種典型的整流管電力電子變流設備的設計與應用實例。第6 章首先分析了晶閘管并聯(lián)均流及串聯(lián)均壓兩個應用共性問題，給出了 12 種極為典型的晶閘管類電力電子變流設備設計和應用實例；并以15MW 熱工實驗用36 脈波晶閘管直流電力電子變流設備和12 500kVA 礦熱爐用三相低頻電力電子變流設備為例，詳細介紹了其設計參數(shù)計算和選用。第7 章探討了MOSFET 的保護技術，給出了3 種主功率器件為MOSFET 的電力電子變流設備的設計和應用實例。第7.5 節(jié)以6kW 845多相位可變頻交流輸出電力電子變流設備為例，在給出設計結果的同時，詳細討論了該電力電子變流設備的調試方法和調試結果。在第8 章中不但討論了IGBT 的保護問題，而且給出了4 種以IGBT 為主功率器件的電力電子變流設備的設計與應用實例。
為便于讀者直接選用，本書附錄中介紹了經眾多單位使用成熟的，由陜西高科電力電子有限責任公司研制并已批量供國內使用的電力電子變流設備和控制板的主要性能和參數(shù)。同時給出了國內幾家有名的霍爾電流傳感器、快速熔斷器、晶閘管、整流管的生產廠家主要產品。本書中介紹的23 種電力電子變流設備正是選用了這些性能可靠的控制板、傳感器、晶閘管、整流管才得以穩(wěn)定可靠運行，希望能為讀者選型提供參考。
本書在寫作過程中，承蒙陜西高科電力電子有限責任公司提供了許多十分珍貴的參考資料和難得的應用實例，以2000 多臺（套）電力電子變流設備設計、制造、調試與可靠運行的經驗及教訓作為鋪墊，提供了書中的許多經過實際運行考驗以及在多臺電力電子變流設備中使用證明魯棒性及可靠性都很好、可直接應用的原理插圖及電路參數(shù)，文中參考和使用了書末參考文獻中所列作者的研究和試驗成果。中國電力出版社的周娟編審、楊淑玲副編審對本書出版付出了許多辛勤的工作；陜西高科電力電子有限責任公司的王文英、趙正富、陳莉、劉艷麗、曹科、李梁對本書的電路及程序進行了實用檢驗，提出了有益的建議；我的研究生劉永鴿、呂鵬、謝廣超、楊脫穎、史棟毅、孫亞、王輝、丁培培、鄭列、萬英英、李培培、劉磊、閆澤宇、朱昕、李輝、王致遠參與了書稿的整理、部分電路的實驗及電路圖的校正工作，在此一并感謝！
在本書出版之際，我還應感謝我賢惠的妻子梁萍的支持，多年來她理解、無私支持我的研究、設計及調試工作，在生活等方面提供了很多幫助，對本書的出版做了間接的、有益的工作。
本書作為高科實用電力電子技術叢書的第6 本（另外5 本在2013 年前已由科學出版社出版），由李宏設計撰寫提綱，吉林吉恩鎳業(yè)股份公司的蘇暢高工、延安職業(yè)技術學院的張仰維老師參加了撰寫，終由李宏負責修改、統(tǒng)稿和定稿工作，因查閱資料受限，加之寫作時間倉促，更受限于自身的學術修養(yǎng)及技術水平，書中難免有紕漏，懇請讀者和國內電力電子行業(yè)的專家、學者及同仁們提出寶貴意見，指正意見與建議請寄西安市經濟技術開發(fā)區(qū)草灘園區(qū)尚苑路4815 號陜西高科電力電子有限責任公司轉李宏收，亦可發(fā)電子郵件（m18966712268@163.com）直言相告，若對書中介紹的電力電子變流設備實例電路有新的改進方案或更好的建議，亦可直接與陜西高科電力電子有限責任公司（網址：http://www.sgk.com.cn，E-mail：sgkdldz@163.com）技術部（電話：029 62382230）或銷售部（電話：029 62383930，傳真：029 85213405）聯(lián)系進行交流與探討。
2021 年7 月于西安
主編李宏，西安石油大學電子工程學院教授，獲中國人民解放軍空軍科技進步三等獎1項�，F(xiàn)兼任中國電工技術學會電力電子學會常務理事、中國電工技術學會電力電子學會學術委員會委員、中國電工技術學會電氣節(jié)能研究會常務理事、中國變流設備學會特種變流設備專業(yè)委員會常務委員理事、中國變流設備學會無線電能傳輸專業(yè)委員會理事，陜西省變流設備學會副理事長，《電力電子技術》、《現(xiàn)代電子技術》、《變流設備技術應用》、《變頻技術應用》編委，主要研究方向為電力電子技術、電氣傳動技術、特種變流設備技術及專用集成電路的開發(fā)和應用技術。至今累計發(fā)表學術及工程技術性論文200多篇，共參與編寫學術著作、獨立著作、統(tǒng)編手冊共13部，主持設計與電力電子有關的工程項目近100多個，研制開發(fā)的電力電子成套裝置380多臺套，運行于國內電力、冶金、化工、石油、機械、電子、核工業(yè)、軍工等行業(yè)，并已出口到歐洲、東南亞。
目錄
前言
第1 章 電力電子變流設備常用器件的結構和工作原理 · 1
1.1 概述 1
1.2 整流管 1
1.2.1 整流管的結構 · 1
1.2.2 整流管的工作原理 · 2
1.2.3 整流管的外形與參數(shù)范圍 · 2
1.2.4 整流管的主要參數(shù) · 3
1.3 晶閘管 4
1.3.1 晶閘管的符號及外形 · 4
1.3.2 晶閘管的工作原理 · 5
1.3.3 晶閘管的主要參數(shù)及合理選用 · 7
1.4 電力場效應晶體管 13
1.4.1 結構與工作原理 13
1.4.2 電力MOSFET 的分類 15
1.4.3 主要參數(shù) 16
1.5 絕緣柵控雙極型晶體管 16
1.5.1 基本結構 17
1.5.2 分類 17
1.5.3 工作原理 17
1.5.4 主要技術參數(shù) 18
第2 章 電力電子器件的驅動技術 20
2.1 概述 20
2.2 晶閘管的觸發(fā)電路 20
2.2.1 晶閘管對觸發(fā)電路的要求 21
2.2.2 KJ004 晶閘管移相觸發(fā)器集成電路 · 22
2.2.3 TCA785 晶閘管移相觸發(fā)器集成電路 · 26
2.2.4 高性能晶閘管三相移相觸發(fā)器集成電路TC787 30
2.2.5 SGK198 晶閘管準數(shù)字觸發(fā)器集成電路 · 34
2.2.6 KJ041 6 路雙脈沖形成器集成電路 · 41
2.2.7 KJ042 脈沖列調制形成器集成電路 43
2.3 電力MOSFET 的柵極驅動電路 46
2.3.1 電力MOSFET 驅動電路的共性問題及對驅動電路的要求 · 46
2.3.2 實用柵極驅動電路舉例 48
2.3.3 IR2110 MOSFET 柵極驅動器集成電路 52
2.4 IGBT 的柵極驅動電路 63
2.4.1 IGBT 對柵極驅動電路的要求 · 63
2.4.2 M57962L IGBT 柵極驅動器集成電路 65
2.4.3 HL402A IGBT 柵極驅動器集成電路 69
第3 章 電力電子變流設備的保護技術 76
3.1 概述 · 76
3.2 電力電子變流設備保護的基本問題 · 76
3.2.1 電力電子變流設備保護的定義 76
3.2.2 電力電子變流設備保護的實質 77
3.2.3 電力電子變流設備保護的分類 77
3.3 過電流保護 · 78
3.3.1 過電流保護的分類方法 78
3.3.2 過電流保護的常用執(zhí)行部件 79
3.3.3 電子式過電流保護的電流檢測裝置 83
3.3.4 過電流的電子式保護電路 89
3.4 過電壓保護 · 90
3.4.1 過電壓保護的分類 90
3.4.2 動態(tài)過電壓保護的執(zhí)行元件 91
3.4.3 靜態(tài)過電壓保護檢測電壓的常用器件 97
3.5 靜態(tài)過電壓和過電流保護的信號處理器件 · 99
3.6 電力電子變流設備的其他保護 101
3.6.1 缺相保護 101
3.6.2 短路保護 104
3.6.3 欠電壓保護 105
3.6.4 直通、短路保護 106
3.6.5 接地保護 107
3.6.6 過熱保護 107
3.6.7 欠飽和、過飽和保護 108
3.6.8 驅動電路電源電壓監(jiān)控保護 108
3.6.9 掉電保護 109
第4 章 電力電子變流設備設計的基本問題 · 110
4.1 概述 110
4.2 電力電子變流設備設計的含義和目的 110
4.2.1 電力電子變流設備設計的含義 · 110
4.2.2 電力電子變流設備設計的目的 · 111
4.3 電力電子變流設備設計的分類 111
4.3.1 按是整套設備還是零部件設計分類 · 111
4.3.2 按設計的電路功能分類 · 112
4.3.3 按設計的電路處理電量的功率大小分類 · 113
4.4 電力電子變流設備設計前的準備工作 113
4.4.1 電力電子變流設備設計前的人員準備 · 113
4.4.2 電力電子變流設備設計前的技術準備 · 114
4.4.3 電力電子變流設備設計前的物質準備 · 114
4.5 電力電子變流設備設計的一般要求 115
4.5.1 嚴格執(zhí)行國家標準和行業(yè)規(guī)范 · 115
4.5.2 準確設計儀器儀表及專用設備 · 115
4.5.3 人身和設備安全及可靠接地 · 116
4.5.4 數(shù)據(jù)處理 · 116
4.6 電力電子變流設備的常用設計方法和步驟 116
4.6.1 電力電子變流設備的常用設計方法 · 116
4.6.2 電力電子變流設備的設計步驟 · 117
4.6.3 設計舉例：75kW 無刷直流電機調速系統(tǒng)繼電操作電路設計 118
第5 章 主功率器件為整流管的電力電子變流設備 · 122
5.1 概述 122
5.2 整流管并聯(lián)應用的均流問題 122
5.2.1 整流管并聯(lián)的不均流機理 · 122
5.2.2 多個整流管并聯(lián)的均流措施 · 123
5.3 整流管串聯(lián)應用的均壓問題 123
5.3.1 串聯(lián)整流管不均壓的原因 · 124
5.3.2 多個整流管串聯(lián)的均壓措施 · 125
5.4 48 脈波4 55kA/880V 直流電力電子變流設備 126
5.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理 · 126
5.4.2 應用效果 · 129
5.4.3 結論與啟迪 · 131
5.5 110kV/300A 整流管直流電力電子變流設備的設計計算與應用 · 131
5.5.1 系統(tǒng)組成及工作原理和參數(shù)設計 · 131
5.5.2 應用效果 · 135
5.5.3 結論與啟迪 · 136
5.6 12 1000V/140kA 整流管直流電力電子變流設備詳細設計與應用 137
5.6.1 試驗系統(tǒng)對整流管電力電子變流設備的技術要求 · 137
5.6.2 整流管電力電子變流設備設計 139
5.6.3 整流柜機械結構特征設計 153
5.6.4 整流柜內導電母線及電氣連接結構設計特點 156
5.6.5 多個整流柜并聯(lián)的均流與故障的可靠保護設計 158
5.6.6 整流柜配套用的監(jiān)控報警柜 160
5.6.7 應用效果 162
5.6.8 結論與啟迪 163
5.7 4 12kA/3510V 整流管電力電子變流設備 163
5.7.1 系統(tǒng)組成及工作原理分析 163
5.7.2 應用效果 170
5.7.3 結論與啟迪 170
第6 章 晶閘管類電力電子變流設備 · 172
6.1 概述 172
6.2 晶閘管并聯(lián)應用的均流問題 172
6.2.1 造成并聯(lián)晶閘管不均流的原因 172
6.2.2 解決不均流的措施 173
6.2.3 應用效果 175
6.3 晶閘管串聯(lián)的均壓問題 176
6.3.1 電力電子變流設備中串聯(lián)晶閘管不均壓的原因 176
6.3.2 實現(xiàn)多個串聯(lián)晶閘管器件均壓的措施 177
6.3.3 串聯(lián)應用特別注意事項 179
6.4 200kW 電力回收用晶閘管電力電子變流設備 · 179
6.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理 179
6.4.2 應用效果 184
6.4.3 結論與啟迪 184
6.5 可跟蹤供電電源頻率寬范圍變化的1000V/412kA 晶閘管電力電子變流設備 184
6.5.1 系統(tǒng)構成和工作原理 184
6.5.2 應用效果 196
6.5.3 結論與啟迪 196
6.6 帶有微分控制的 6t 真空自耗電極直流電弧爐用晶閘管電力電子變流設備 197
6.6.1 系統(tǒng)組成及工作原理 197
6.6.2 應用效果 200
6.6.3 結論與啟迪 200
6.7 10t 真空自耗電極直流電弧爐用40kA 直流電力電子變流設備 · 201
6.7.1 系統(tǒng)組成及工作原理 201
6.7.2 應用效果 205
6.7.3 結論與啟迪 206
6.8 采用星點控制的交流調壓電力電子變流設備 206
6.8.1 系統(tǒng)構成及工作原理 · 206
6.8.2 應用效果 · 211
6.8.3 結論與啟迪 · 211
6.9 65kA/85V 24 脈波真空自耗電極凝殼爐用晶閘管直流電力電子變流設備 211
6.9.1 系統(tǒng)組成及工作原理 · 211
6.9.2 應用效果 · 217
6.9.3 結論與啟迪 · 218
6.10 50kW 串聯(lián)型晶閘管中頻電力電子變流設備 218
6.10.1 系統(tǒng)構成及工作原理 218
6.10.2 應用效果 222
6.10.3 結論與啟迪 223
6.11 15MW 熱工實驗用 36 脈波晶閘管直流電力電子變流設備詳細設計 223
6.11.1 研制背景 223
6.11.2 36 脈波整流變壓器組的設計 224
6.11.3 整流柜用元器件的計算與選型設計 226
6.11.4 5MW分晶閘管電力電子變流設備的控制部分和計算機監(jiān)測系統(tǒng)設計 229
6.11.5 保護環(huán)節(jié)設計 232
6.11.6 應用效果 234
6.11.7 結論與啟迪 236
6.12 節(jié)能型電機試驗用晶閘管電力電子變流設備 · 237
6.12.1 研制背景 237
6.12.2 系統(tǒng)構成及工作原理 238
6.12.3 應用效果 242
6.12.4 結論與啟迪 242
6.13 6 13kA/670V 72 脈波晶閘管直流電力電子變流設備 243
6.13.1 研制背景 243
6.13.2 系統(tǒng)組成及工作原理 243
6.13.3 應用效果 251
6.13.4 結論與啟迪 252
6.14 120t 電渣爐用晶閘管單相低頻電力電子變流設備 · 252
6.14.1 研制背景 252
6.14.2 電渣爐低頻供電節(jié)能的依據(jù) 253
6.14.3 系統(tǒng)構成及工作原理 253
6.14.4 實用效果 257
6.14.5 結論與啟迪 257
6.15 12 500kA 礦熱爐用三相低頻電力電子變流設備 258
6.15.1 研制背景 · 258
6.15.2 礦熱爐用三相低頻電力電子變流設備的結構 258
6.15.3 礦熱爐低頻電力電子變流設備的控制電路 262
6.15.4 應用效果 · 271
6.15.5 結論與啟迪 · 271
第7 章 MOSFET 類電力電子變流設備 272
7.1 概述 272
7.2 MOSFET 的保護問題 · 272
7.2.1 過電壓保護 272
7.2.2 過電流保護 277
7.3 50A/12V 開關型直流電力電子變流設備 278
7.3.1 系統(tǒng)組成及工作原理 278
7.3.2 應用效果 283
7.3.3 結論與啟迪 283
7.4 超低紋波組合開關型直流電力電子變流設備 284
7.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理 284
7.4.2 應用效果 287
7.4.3 結論與啟迪 287
7.5 6kW 8 45多相位可變頻交流輸出電力電子變流設備 · 288
7.5.1 電路構成及工作原理框圖 288
7.5.2 調試過程及調試方法 298
7.5.3 應用效果 303
7.5.4 結論與啟迪 304
第8 章 IGBT 類電力電子變流設備 305
8.1 概述 305
8.2 IGBT 對保護的特殊要求 305
8.3 IGBT 的保護 307
8.3.1 過電流保護 307
8.3.2 短路保護 307
8.3.3 過電壓保護 311
8.3.4 防靜電保護 313
8.4 IGBT 斬波型電力電子變流設備 313
8.4.1 系統(tǒng)組成及工作原理簡介 313
8.4.2 應用效果 316
8.4.3 結論與啟迪 316
8.5 75kW 無刷直流電動機調速電力電子變流設備 317
8.5.1 系統(tǒng)基本構成和工作原理 317
8.5.2 應用效果 · 336
8.5.3 結論與啟迪 · 336
8.6 8kA/10V IGBT 開關型直流電力電子變流設備 · 337
8.6.1 系統(tǒng)構成及工作原理 · 337
8.6.2 應用效果 · 341
8.6.3 結論與啟迪 · 341
8.7 用于真空自耗爐的IGBT 開關型30kA/50V 直流電力電子變流設備 · 341
8.7.1 系統(tǒng)構成及工作原理 · 341
8.7.2 應用效果 · 346
8.7.3 結論與啟迪 · 346
8.7.4 開關型直流電力電子變流與可控整流方案用于電弧爐熔煉系統(tǒng)的優(yōu)缺點比較 347
附錄 349
附錄A 電力電子變流設備 349
附錄B 電力電子變流設備控制和驅動板 356
附錄C 特種功率變壓器 361
附錄D 大電流霍爾電流傳感器及光纖電流傳感器 363
附錄E 不可控及半控型電力電子器件 · 367
附錄F 快速熔斷器選型 · 372
參考文獻 376
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