电力电子变流设备设计与应用调试实例_李宏_9787519845285

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不可多得的实用参考书，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
电力电子技术是电工技术领域的重要分支，是当今世界各发达国家竞争的一个高科技领域。由于采用电力电子技术可以达到广泛的节能效果，实现生存环境及电网的绿色化，越来越受到各国政府的高度重视，越来越与人们的日常生活交织相融密不可分。
虽然电力电子技术的专业术语对于许多非此专业的人来说有些陌生，但电力电子变换在人类的生活中可以说无处不在，无时不用，已深入到工业、农业、交通运输、国防、环境保护、空间技术、海洋探秘和社会生活的各个方面。典型的应用领域包括电化学、直流牵引、直流调速、交流传动、电机励磁、电火花加工、电镀、电冶、电磁合闸、充电、中频及高频感应加热、交流及直流不间断电源、开关电源、稳压电源、电力电子开关、高压静电除尘、直流输电、无功补偿、风力发电、环境保护、家用电器、储能电站、航空器控制、感应电能传输、空间探测、遥测遥感、交通运输、火灾预防、医疗卫生、防盗报警等诸多方面。尽管应用领域千差万别，但总体上可将其变换分为交流到直流、直流到交流、直流到直流、交流到交流四大类。应当看到，应用电力电子器件在一定的控制手段下，实现某一特定功能的电力电子变换是根据终使用者的应用需求指标，经过设计、装配、调试后交付终用户使用，在应用过程中，总有电流（大小、交直流种类）的变化，因而通常将这类电力电子变换装置又称为电力电子变流设备。
在国内从事电力电子变流设备研究和生产的企事业单位有数千家，电力电子变流设备的用户几乎遍布全国各工业领域及民用企事业单位。许多单位的设计、装配、调试人员急需得到有关电力电子器件原理、驱动及保护以及设计调试的系统实用技术资料。为了给电力电子变流设备设计、装配和调试人员提供一本实用的有价值的参考书，根据自己多年从事电力电子变流设备研究、设计、调试和维修的经验教训和总结，撰写了本书，以期对下列人员有所补益：
（1）电力电子变流设备设计、制造企业的设计人员及现场调试人员。
（2）电力电子变流设备使用单位从事设备运行管理、维护的人员。
（3）上述两种单位的操作及装配人员。
（4）高等院校的教师、研究生、本科生以及职业院校的师生。
（5）各种职业培训学校的教师及学员。
本人从西安交通大学毕业，分配到我国电力电子行业的归口研究所西安电力电子技术研究所（原西安整流器研究所）工作10 年后调入大学，至今已近40 年，从事过变频器、开关电源、感应加热用中频电源、交流调压、交流调功、电化学、环境保护、有色冶金、核物理实验、空间飞行器电热模拟、飞行器用精密部件铸造等类型的电力电子变流设备的科研及设计、调试工作。亲自设计或主持设计的电力电子变流设备种类达 40 多个品种，已投入国内有色冶金、化工、钢铁、煤矿、核工业、国防、航天、航空等行业使用并出口到多个国家的总计近2000 台（套）。本人亦曾主持了近50 多种电力电子变流设备控制板的研制及改进定型工作，这些控制板累计在国内使用达35 000 多块，更为有幸的是主编或参编电力电子技术方面的实用技术图书25 种，其中已公开出版22 种，这些经历为本书的完成打下了坚实的基础。
考虑到电力电子变流设备的种类繁多，内部结构千差万别，所用电力电子器件不尽相同，使用领域多种多样，功率容量有大有小，要逐个归纳总结全面系统地介绍设计与应用实例将是十分困难的，更是无法实现的。如何在众多的电力电子变流设备中提炼总结，写出真正可以解决读者工作中实际问题的实用资料，是本书的真正困难所在。本书力求以国内工农业生产中使用量大面广的电力电子变流设备为主线进行介绍，对近几年新出现的电力电子器件，以及以这些器件为主开关器件处于研发阶段的电力电子变流设备，或在国民经济中使用量较少的电力电子变流设备，本书没有涉猎，希望读者能理解这一良苦用心。
各种电力电子器件的正确选择使用，是电力电子变流设备成功设计的基础，本书的第 1章对电力电子器件的结构和工作原理进行了介绍。第2 章分析了电力电子器件对驱动电路的要求，针对第1 章介绍的电力电子器件，给出了典型的驱动电路。第3 章对电力电子器件和电力电子变流设备常用保护器件、保护电路的分类、常用保护电路的设计原理进行了介绍，给出设计的几种典型保护电路。第4 章对电力电子变流设备设计的概念、分类、要求、步骤和方法进行了介绍。第5 章探讨了整流管串联应用的均压问题及并联应用的均流问题，给出了4 种典型的整流管电力电子变流设备的设计与应用实例。第6 章首先分析了晶闸管并联均流及串联均压两个应用共性问题，给出了 12 种极为典型的晶闸管类电力电子变流设备设计和应用实例；并以15MW 热工实验用36 脉波晶闸管直流电力电子变流设备和12 500kVA 矿热炉用三相低频电力电子变流设备为例，详细介绍了其设计参数计算和选用。第7 章探讨了MOSFET 的保护技术，给出了3 种主功率器件为MOSFET 的电力电子变流设备的设计和应用实例。第7.5 节以6kW 845多相位可变频交流输出电力电子变流设备为例，在给出设计结果的同时，详细讨论了该电力电子变流设备的调试方法和调试结果。在第8 章中不但讨论了IGBT 的保护问题，而且给出了4 种以IGBT 为主功率器件的电力电子变流设备的设计与应用实例。
为便于读者直接选用，本书附录中介绍了经众多单位使用成熟的，由陕西高科电力电子有限责任公司研制并已批量供国内使用的电力电子变流设备和控制板的主要性能和参数。同时给出了国内几家有名的霍尔电流传感器、快速熔断器、晶闸管、整流管的生产厂家主要产品。本书中介绍的23 种电力电子变流设备正是选用了这些性能可靠的控制板、传感器、晶闸管、整流管才得以稳定可靠运行，希望能为读者选型提供参考。
本书在写作过程中，承蒙陕西高科电力电子有限责任公司提供了许多十分珍贵的参考资料和难得的应用实例，以2000 多台（套）电力电子变流设备设计、制造、调试与可靠运行的经验及教训作为铺垫，提供了书中的许多经过实际运行考验以及在多台电力电子变流设备中使用证明鲁棒性及可靠性都很好、可直接应用的原理插图及电路参数，文中参考和使用了书末参考文献中所列作者的研究和试验成果。中国电力出版社的周娟编审、杨淑玲副编审对本书出版付出了许多辛勤的工作；陕西高科电力电子有限责任公司的王文英、赵正富、陈莉、刘艳丽、曹科、李梁对本书的电路及程序进行了实用检验，提出了有益的建议；我的研究生刘永鸽、吕鹏、谢广超、杨脱颖、史栋毅、孙亚、王辉、丁培培、郑列、万英英、李培培、刘磊、闫泽宇、朱昕、李辉、王致远参与了书稿的整理、部分电路的实验及电路图的校正工作，在此一并感谢！
在本书出版之际，我还应感谢我贤惠的妻子梁萍的支持，多年来她理解、无私支持我的研究、设计及调试工作，在生活等方面提供了很多帮助，对本书的出版做了间接的、有益的工作。
本书作为高科实用电力电子技术丛书的第6 本（另外5 本在2013 年前已由科学出版社出版），由李宏设计撰写提纲，吉林吉恩镍业股份公司的苏畅高工、延安职业技术学院的张仰维老师参加了撰写，终由李宏负责修改、统稿和定稿工作，因查阅资料受限，加之写作时间仓促，更受限于自身的学术修养及技术水平，书中难免有纰漏，恳请读者和国内电力电子行业的专家、学者及同仁们提出宝贵意见，指正意见与建议请寄西安市经济技术开发区草滩园区尚苑路4815 号陕西高科电力电子有限责任公司转李宏收，亦可发电子邮件（m18966712268@163.com）直言相告，若对书中介绍的电力电子变流设备实例电路有新的改进方案或更好的建议，亦可直接与陕西高科电力电子有限责任公司（网址：http://www.sgk.com.cn，E-mail：sgkdldz@163.com）技术部（电话：029 62382230）或销售部（电话：029 62383930，传真：029 85213405）联系进行交流与探讨。
2021 年7 月于西安

目录
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/412kA 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

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