电力电子变流设备设计与应用调试实例

本书在介绍常用电力电子器件的基本结构、工作原理和驱动技术基础上，分析了电力电子变流设备保护的有关问题，对电力电子变流设备设计的方法和步骤进行了较为深入的讨论。给出了23 种作者研制和调试的，并且投入工程实际中应用多年且证明十分成熟可靠的，以整流管、晶闸管、MOSFET、IGBT 为主功率器件的典型电力电子变流设备的设计和应用实例。本书对这些实例的电路原理、工作波形、保护措施、运行效果进行了较为细致的阐述，对其中个别电力电子变流设备给出了设计计算、结构方案和调试过程，给出了结论与启迪。
本书是一本理论和实际紧密结合的实用技术书籍，其内容丰富，取材面广，富有代表性，图文并茂，通俗易懂，是从事电力电子变流设备及特种电源设计、调试、安装和制造及研究开发的技术人员的实用参考书，也可供高等院校和职业院校从事电力电子行业及相近专业的广大师生参考使用。

前言
第1 章 电力电子变流设备常用器件的结构和工作原理 · 1
1.1 概述 1
1.2 整流管 1
1.2.1 整流管的结构 · 1
1.2.2 整流管的工作原理 · 2
1.2.3 整流管的外形与参数范围 · 2
1.2.4 整流管的主要参数 · 3
1.3 晶闸管 4
1.3.1 晶闸管的符号及外形 · 4
1.3.2 晶闸管的工作原理 · 5
1.3.3 晶闸管的主要参数及合理选用 · 7
1.4 电力场效应晶体管 13
1.4.1 结构与工作原理 13
1.4.2 电力MOSFET 的分类 15
1.4.3 主要参数 16
1.5 绝缘栅控双极型晶体管 16
1.5.1 基本结构 17
1.5.2 分类 17
1.5.3 工作原理 17
1.5.4 主要技术参数 18
第2 章 电力电子器件的驱动技术 20
2.1 概述 20
2.2 晶闸管的触发电路 20
2.2.1 晶闸管对触发电路的要求 21
2.2.2 KJ004 晶闸管移相触发器集成电路 · 22
2.2.3 TCA785 晶闸管移相触发器集成电路 · 26
2.2.4 高性能晶闸管三相移相触发器集成电路TC787 30
2.2.5 SGK198 晶闸管准数字触发器集成电路 · 34
2.2.6 KJ041 6 路双脉冲形成器集成电路 · 41
2.2.7 KJ042 脉冲列调制形成器集成电路 43
2.3 电力MOSFET 的栅极驱动电路 46
2.3.1 电力MOSFET 驱动电路的共性问题及对驱动电路的要求 · 46
2.3.2 实用栅极驱动电路举例 48
2.3.3 IR2110 MOSFET 栅极驱动器集成电路 52
2.4 IGBT 的栅极驱动电路 63
2.4.1 IGBT 对栅极驱动电路的要求 · 63
2.4.2 M57962L IGBT 栅极驱动器集成电路 65
2.4.3 HL402A IGBT 栅极驱动器集成电路 69
第3 章 电力电子变流设备的保护技术 76
3.1 概述 · 76
3.2 电力电子变流设备保护的基本问题 · 76
3.2.1 电力电子变流设备保护的定义 76
3.2.2 电力电子变流设备保护的实质 77
3.2.3 电力电子变流设备保护的分类 77
3.3 过电流保护 · 78
3.3.1 过电流保护的分类方法 78
3.3.2 过电流保护的常用执行部件 79
3.3.3 电子式过电流保护的电流检测装置 83
3.3.4 过电流的电子式保护电路 89
3.4 过电压保护 · 90
3.4.1 过电压保护的分类 90
3.4.2 动态过电压保护的执行元件 91
3.4.3 静态过电压保护检测电压的常用器件 97
3.5 静态过电压和过电流保护的信号处理器件 · 99
3.6 电力电子变流设备的其他保护 101
3.6.1 缺相保护 101
3.6.2 短路保护 104
3.6.3 欠电压保护 105
3.6.4 直通、短路保护 106
3.6.5 接地保护 107
3.6.6 过热保护 107
3.6.7 欠饱和、过饱和保护 108
3.6.8 驱动电路电源电压监控保护 108
3.6.9 掉电保护 109
第4 章 电力电子变流设备设计的基本问题 · 110
4.1 概述 110
4.2 电力电子变流设备设计的含义和目的 110
4.2.1 电力电子变流设备设计的含义 · 110
4.2.2 电力电子变流设备设计的目的 · 111
4.3 电力电子变流设备设计的分类 111
4.3.1 按是整套设备还是零部件设计分类 · 111
4.3.2 按设计的电路功能分类 · 112
4.3.3 按设计的电路处理电量的功率大小分类 · 113
4.4 电力电子变流设备设计前的准备工作 113
4.4.1 电力电子变流设备设计前的人员准备 · 113
4.4.2 电力电子变流设备设计前的技术准备 · 114
4.4.3 电力电子变流设备设计前的物质准备 · 114
4.5 电力电子变流设备设计的一般要求 115
4.5.1 严格执行国家标准和行业规范 · 115
4.5.2 准确设计仪器仪表及专用设备 · 115
4.5.3 人身和设备安全及可靠接地 · 116
4.5.4 数据处理 · 116
4.6 电力电子变流设备的常用设计方法和步骤 116
4.6.1 电力电子变流设备的常用设计方法 · 116
4.6.2 电力电子变流设备的设计步骤 · 117
4.6.3 设计举例：75kW 无刷直流电机调速系统继电操作电路设计 118
第5 章 主功率器件为整流管的电力电子变流设备 · 122
5.1 概述 122
5.2 整流管并联应用的均流问题 122
5.2.1 整流管并联的不均流机理 · 122
5.2.2 多个整流管并联的均流措施 · 123
5.3 整流管串联应用的均压问题 123
5.3.1 串联整流管不均压的原因 · 124
5.3.2 多个整流管串联的均压措施 · 125
5.4 48 脉波4 × 55kA/880V 直流电力电子变流设备 126
5.4.1 系统组成及工作原理 · 126
5.4.2 应用效果 · 129
5.4.3 结论与启迪 · 131
5.5 110kV/300A 整流管直流电力电子变流设备的设计计算与应用 · 131
5.5.1 系统组成及工作原理和参数设计 · 131
5.5.2 应用效果 · 135
5.5.3 结论与启迪 · 136
5.6 12 × 1000V/140kA 整流管直流电力电子变流设备详细设计与应用 137
5.6.1 试验系统对整流管电力电子变流设备的技术要求 · 137
5.6.2 整流管电力电子变流设备设计 139
5.6.3 整流柜机械结构特征设计 153
5.6.4 整流柜内导电母线及电气连接结构设计特点 156
5.6.5 多个整流柜并联的均流与故障的可靠保护设计 158
5.6.6 整流柜配套用的监控报警柜 160
5.6.7 应用效果 162
5.6.8 结论与启迪 163
5.7 4 × 12kA/3510V 整流管电力电子变流设备 163
5.7.1 系统组成及工作原理分析 163
5.7.2 应用效果 170
5.7.3 结论与启迪 170
第6 章 晶闸管类电力电子变流设备 · 172
6.1 概述 172
6.2 晶闸管并联应用的均流问题 172
6.2.1 造成并联晶闸管不均流的原因 172
6.2.2 解决不均流的措施 173
6.2.3 应用效果 175
6.3 晶闸管串联的均压问题 176
6.3.1 电力电子变流设备中串联晶闸管不均压的原因 176
6.3.2 实现多个串联晶闸管器件均压的措施 177
6.3.3 串联应用特别注意事项 179
6.4 200kW 电力回收用晶闸管电力电子变流设备 · 179
6.4.1 系统组成及工作原理 179
6.4.2 应用效果 184
6.4.3 结论与启迪 184
6.5 可跟踪供电电源频率宽范围变化的1000V/4×12kA 晶闸管电力电子变流设备 184
6.5.1 系统构成和工作原理 184
6.5.2 应用效果 196
6.5.3 结论与启迪 196
6.6 带有微分控制的 6t 真空自耗电极直流电弧炉用晶闸管电力电子变流设备 197
6.6.1 系统组成及工作原理 197
6.6.2 应用效果 200
6.6.3 结论与启迪 200
6.7 10t 真空自耗电极直流电弧炉用40kA 直流电力电子变流设备 · 201
6.7.1 系统组成及工作原理 201
6.7.2 应用效果 205
6.7.3 结论与启迪 206
6.8 采用星点控制的交流调压电力电子变流设备 206
6.8.1 系统构成及工作原理 · 206
6.8.2 应用效果 · 211
6.8.3 结论与启迪 · 211
6.9 65kA/85V 24 脉波真空自耗电极凝壳炉用晶闸管直流电力电子变流设备 211
6.9.1 系统组成及工作原理 · 211
6.9.2 应用效果 · 217
6.9.3 结论与启迪 · 218
6.10 50kW 串联型晶闸管中频电力电子变流设备 218
6.10.1 系统构成及工作原理 218
6.10.2 应用效果 222
6.10.3 结论与启迪 223
6.11 15MW 热工实验用 36 脉波晶闸管直流电力电子变流设备详细设计 223
6.11.1 研制背景 223
6.11.2 36 脉波整流变压器组的设计 224
6.11.3 整流柜用元器件的计算与选型设计 226
6.11.4 5MW分晶闸管电力电子变流设备的控制部分和计算机监测系统设计 229
6.11.5 保护环节设计 232
6.11.6 应用效果 234
6.11.7 结论与启迪 236
6.12 节能型电机试验用晶闸管电力电子变流设备 · 237
6.12.1 研制背景 237
6.12.2 系统构成及工作原理 238
6.12.3 应用效果 242
6.12.4 结论与启迪 242
6.13 6 × 13kA/670V 72 脉波晶闸管直流电力电子变流设备 243
6.13.1 研制背景 243
6.13.2 系统组成及工作原理 243
6.13.3 应用效果 251
6.13.4 结论与启迪 252
6.14 120t 电渣炉用晶闸管单相低频电力电子变流设备 · 252
6.14.1 研制背景 252
6.14.2 电渣炉低频供电节能的依据 253
6.14.3 系统构成及工作原理 253
6.14.4 实用效果 257
6.14.5 结论与启迪 257
6.15 12 500kA 矿热炉用三相低频电力电子变流设备 258
6.15.1 研制背景 · 258
6.15.2 矿热炉用三相低频电力电子变流设备的结构 258
6.15.3 矿热炉低频电力电子变流设备的控制电路 262
6.15.4 应用效果 · 271
6.15.5 结论与启迪 · 271
第7 章 MOSFET 类电力电子变流设备 272
7.1 概述 272
7.2 MOSFET 的保护问题 · 272
7.2.1 过电压保护 272
7.2.2 过电流保护 277
7.3 50A/12V 开关型直流电力电子变流设备 278
7.3.1 系统组成及工作原理 278
7.3.2 应用效果 283
7.3.3 结论与启迪 283
7.4 超低纹波组合开关型直流电力电子变流设备 284
7.4.1 系统组成及工作原理 284
7.4.2 应用效果 287
7.4.3 结论与启迪 287
7.5 6kW 8 × 45°多相位可变频交流输出电力电子变流设备 · 288
7.5.1 电路构成及工作原理框图 288
7.5.2 调试过程及调试方法 298
7.5.3 应用效果 303
7.5.4 结论与启迪 304
第8 章 IGBT 类电力电子变流设备 305
8.1 概述 305
8.2 IGBT 对保护的特殊要求 305
8.3 IGBT 的保护 307
8.3.1 过电流保护 307
8.3.2 短路保护 307
8.3.3 过电压保护 311
8.3.4 防静电保护 313
8.4 IGBT 斩波型电力电子变流设备 313
8.4.1 系统组成及工作原理简介 313
8.4.2 应用效果 316
8.4.3 结论与启迪 316
8.5 75kW 无刷直流电动机调速电力电子变流设备 317
8.5.1 系统基本构成和工作原理 317
8.5.2 应用效果 · 336
8.5.3 结论与启迪 · 336
8.6 8kA/10V IGBT 开关型直流电力电子变流设备 · 337
8.6.1 系统构成及工作原理 · 337
8.6.2 应用效果 · 341
8.6.3 结论与启迪 · 341
8.7 用于真空自耗炉的IGBT 开关型30kA/50V 直流电力电子变流设备 · 341
8.7.1 系统构成及工作原理 · 341
8.7.2 应用效果 · 346
8.7.3 结论与启迪 · 346
8.7.4 开关型直流电力电子变流与可控整流方案用于电弧炉熔炼系统的优缺点比较 347
附录 349
附录A 电力电子变流设备 349
附录B 电力电子变流设备控制和驱动板 356
附录C 特种功率变压器 361
附录D 大电流霍尔电流传感器及光纤电流传感器 363
附录E 不可控及半控型电力电子器件 · 367
附录F 快速熔断器选型 · 372
参考文献 376