《电力电子设备设计和应用手册》

第1章 设计常用标准资料1

1-1 符号与术语1

1-1.1 字母符号1

目录1

1-1.2 电力电子技术名词术语6

1-2 优先数系与额定值标准等级12

1-2.1 优先数系12

1-2.2 额定电流标准等级13

1-2.3 额定电压标准等级15

1-2.4 额定频率标准等级17

1-3 电力电子设备的工作条件17

1-3.1 环境条件17

1-3.2 电气工作条件22

1-3.3 负载条件25

第2章 电力半导体器件的额定值、特性和使用导则26

参考文献26

2-1 概述28

2-2 普通整流二极管和普通晶闸管28

2-2.1 外形尺寸28

2-2.2 额定值和特性值31

2-2.3 特性曲线35

2-2.4 额定值和特性值的使用37

2-3 快速晶闸管39

2-4 双向晶闸管40

2-4.1 概述40

2-4.2 触发方式40

2-4.3 额定电流40

2-4.4 换流特性40

2-6 门极可关断晶闸管（GTO）41

2-5.3 换流特性41

2-6.1 主要特性41

2-6.2 开通特性41

2-5.2 额定电流41

2-5.1 概述41

2-5 逆导晶闸管（逆导可控硅元件）41

2-6.3 关断特性42

2-6.4 可关断晶闸管应用注意事项44

2-7 电力晶体管（GTR）45

2-7.1 基本特性45

2-7.2 极限参数45

2-7.3 特性参数46

2-7.4 电力晶体管应用中的若干问题50

2-8 器件的冷却、选配及其热计算53

2-8.1 冷却方式54

2-8.2 散热器的使用条件57

2-8.3 电力半导体器件国内推荐用散热器的参数60

2-8.4 等效结温的计算和散热器的选配79

参考文献86

第3章 电力电子设备的触发器与控制器86

3-2.2 锯齿波同步电压触发器的控制特性87

3-2.1 正弦波同步电压触发器的控制特性87

第3章 电力电子设备的触发器与控制器指标87

3-2 移相触发器87

3-1 晶闸管相位控制器的一般技术87

3-2.3 锯齿波同步触发器典型电路及技术指标88

3-2.4 脉冲功放及典型电路93

3-3 异步触发器95

3-3.1 图3-11异步触发器的基本工作原理95

3-3.2 异步触发器的起动98

3-3.3 异步触发器的优缺点98

3-4 数字触发器简介99

3-5 双向晶闸管触发器100

3-5.1 双向晶闸管的相位控制100

3-5.2 双向晶闸管的过零触发控制101

3-5.3 KC-05型集成触发器101

3-5.4 KC-05集成触发器技术参数103

3-6 GTO触发器103

3-6.1 对开通脉冲的要求103

3-6.3 GTO门极触发电路104

3-6.2 对门极关断控制脉冲的要求104

3-7 Diac触发器106

3-7.1 Diac的伏安特性及主要参数106

3-7.2 Diac触发器电路106

3-8 SBS触发器108

3-8.1 SBS的伏安特性及主要参数108

3-8.2 SBS触发器电路109

3-9 SUS触发器109

3-10 触发器的抗干扰109

3-11 通用控制器111

3-11.1 集成运算放大器111

3-11.2 改善集成运算放大器性能的主要方法114

3-11.3 调节器的基本电路116

3-11.4 速度（电压）调节器117

3-11.5 电流调节器122

3-11.6 给定积分器126

3-11.7 速度变换器133

3-11.8 交流电流变换器136

3-11.9 直流电压变换器138

3-12 直流稳压电源143

参考文献145

主要电参数之间的关系146

4-1.1 基本假设、理想空载直流电压、负载性质的归属146

4-1.2 整流电路电联结型式146

4-1 理想条件下二极管整流器及其146

主电路电参数的计算146

第4章 整流器的基本概念及146

4-1.3 基本整流电路（换相组）147

4-1.4 整流电路的串联155

4-1.5 整流电路的并联156

4-1.6 12脉波整流电路159

4-1.7 理想条件下二极管整流器主要电参数之间的关系160

4-1.8 整流变压器及其主要电参数之间的关系161

4-1.9 平衡电抗器电参数之间的关系163

主要电参数之间的关系164

4-2 理想条件下晶闸管整流器及其164

4-2.1 相位控制165

4-2.2 带平波电抗器均匀联结的晶闸管整流器及其主要电参数之间的关系165

4-2.3 不带平衡电抗器均匀联结的晶闸管整流器及其主要电量参数之间的关系167

4-2.4 不均匀联结晶闸管整流器及其主要电量参数之间的关系168

4-3 非理想条件下的整流器与主要电参数的修正175

4-3.1 Xa？0，Xd＝∞时的换相过程175

4-3.2 整流器理想空载直流电压的计算177

4-3.3 晶闸管整流器的直流电流在电阻电感负载下保持连续的临界条件178

参考文献180

第5章 电力电子设备中阀器件的串并联技术180

5-1 阀器件的串联技术181

5-1.1 器件直接串联的电压分配181

5-1.2 串联器件的稳态均压182

5-1.3 串联器件的瞬态均压182

5-1.5 串联晶闸管的末级触发电路183

5-1.4 器件串联臂串联器件数的确定183

5-1.6 串联器件在高压设备中的应用185

5-1.7 串联器件均压的计算实例185

5-2 阀器件的并联技术186

5-2.1 阀器件直接并联时的均流186

5-2.2 并联器件的强迫均流188

5-2.3 器件并联支路数的确定190

5-2.5 门极可关断晶闸管的均流192

5-2.4 并联器件均流的计算实例192

5-3 阀器件的串并联193

参考文献194

第6章 电力电子设备的保护195

6-1 过电流保护195

6-1.1 短路故障195

6-1.2 短路电流的计算195

6-1.3 相控晶闸管电路故障冲击电流的确定197

6-1.4 过电流保护方案的选择197

6-1.5 快速熔断器199

6-1.6 快熔的保护方式203

6-1.7 快熔的选用原则204

6-1.8 电子保护电路207

6-1.9 电路实例208

6-2 过电压保护209

6-2.1 过电压产生的原因209

6-2.2 抑制暂态过电压的方法211

6-2.4 用非线性元件抑制直流侧过电压214

6-2.3 用非线性元件抑制交流侧过电压214

6-2.5 用RC抑制过电压215

6-2.6 整流式阻容吸收216

6-2.7 用RC抑制换相过电压216

6-3 电流、电压上升率的抑制217

6-3.1 电流上升率di/dt的抑制217

6-3.2 电压上升率du/dt的抑制218

第7章 电力电子设备性能数据的计算218

7-1.1 效率计算中的损耗项目219

7-1 电力电子设备的损耗和效率219

7-1.2 损耗计算方法220

7-1.3 效率计算222

7-1.4 效率测试的数据处理222

7-1.5 效率计算示例224

7-2 电力电子设备的直流电压调整率226

7-2.1 固有直流电压调整率226

7-2.2 总直流电压调整率228

7-2.3 三相均匀桥式变流器直流电压调整率的简化计算法228

7-2.4 变流器作串并联运行时的直流电压调整率229

7-2.5 直流电压调整率计算示例230

7-3 电力电子设备的功率因数232

7-3.1 基波因数232

7-3.2 位移因数（基波功率因数）234

7-3.3 总功率因数237

7-3.4 自换相逆变器的功率因数237

7-4 电力电子设备的电流电压谐波238

7-3.5 功率因数计算示例238

7-4.1 谐波限制239

7-4.2 交流网侧电流谐波的计算241

7-4.3 直流电压谐波的计算245

7-4.4 直流谐波的干扰效应249

参考文献251

第8章 电力电子设备的总体设计251

8-1 整流器总体设计的程序及内容253

8-1.3 整流电路的选择254

8-1.4 整流变压器参数的选用与计算254

8-1.1 原始数据及原始资料254

8-1.2 确定整流器的额定直流电压UdN及额定直流电流IdN254

8-1.5 整流装置发热的计算及冷却系统的选择255

8-1.6 阀器件的选用256

8-1.7 阀器件串联及其计算256

8-1.8 阀器件并联及其计算257

8-1.9 过电压抑制259

8-1.10 过载及短路保护元件的选择262

8-1.12 触发器的选定264

8-1.11 平波电抗器的设计计算264

8-1.13 电流检测电路的选择265

8-1.14 直流电压检测方式选择265

8-1.15 调节器设计265

8-1.16 结构设计时注意事项267

8-3 设计举例268

8-3.1 电解用硅整流器的计算示例268

8-2 逆变器设计程序的补充说明268

8-3.2 直流传动用硅整流器计算示例272

参考文献278

第9章 各种整流器的运行特点和279

设计方法279

9-1 电化学用整流器279

9-1.1 电化学用整流器的应用特点和联结型式的选择279

9-1.2 并联器件的均流284

9-1.4 冷却方式287

9-1.3 整流器的防磁287

9-1.5 户外大型变压整流器288

9-2 同步电动机励磁用整流器292

9-2.1 同步电动机励磁用整流器概述292

9-2.2 同步发电机励磁用整流器296

9-2.3 感应电动机同步化运行306

9-3 蓄电池充电用整流器308

9-3.1 蓄电池充电的类型和对充电用整流器的要求308

9-3.2 蓄电池充放电用晶闸管整流器309

9-3.3 快速充电用晶闸管整流器309

9-4 电镀用整流器311

9-4.1 电镀用整流器的负载特点及运行要求311

9-4.2 电镀用整流器的运行控制方式312

9-4.3 电镀用整流器的联结型式312

9-4.4 电镀用整流器的结构特点316

9-5 高稳定度稳流器316

9-5.1 概述316

9-5.2 基准电源317

9-5.3 电流传感元件318

9-5.4 用大功率晶体管作调整管的稳流器321

9-5.5 晶闸管稳流器328

9-6 电阻焊机用整流器及其功率333

控制器333

9-6.1 电阻焊机用调功器的暂态过程334

9-6.2 晶闸管的选择和保护335

9-6.3 应用实例337

第10章 逆变器变频器的基本概念和主电路电参数计算338

参考文献338

10-1 逆变器的分类340

10-2 负载换流式逆变器341

10-2.1 具有电网负载的电流型逆变器（有源逆变器）341

10-2.2 具有同步电动机负载的电流型逆变器（间接变频式无换向器电动机）347

10-2.3 具有电容补偿负载的电流型逆变器（并联逆变器）354

10-2.4 具有电容补偿负载的电压型逆变器（串联逆变器）358

10-3.1 电压型逆变器364

10-3 自换流式逆变器364

10-3.2 电流型逆变器380

10-4 变频器的分类387

10-5 电流型直接变频器387

10-5.1 理想条件下三相电流型直接变频器387

10-5.2 变频器换流过程分析392

参考文献393

11-1.2 自动频率跟踪（自动调频）394

11-1.1 电源的基本结构及其应用范围394

（并联逆变式中频电源）394

11-1 含电流型逆变器的中频电源394

第11章 感应加热用中频电源394

11-1.3 电源的起动399

11-1.4 逆变器的保护400

11-1.5 逆变主电路参数选择402

11-1.6 并联运行403

11-1.7 改进型并联逆变电路405

11-2.1 倍频逆变电路的工作原理408

11-2 含倍频逆变器的中频电源（倍408

频逆变式中频电源）408

11-2.2 逆变电路分析409

11-2.3 阻抗匹配410

11-2.4 频率匹配411

11-2.5 负载端短路分析及保护412

11-3 中频电源的控制414

11-3.1 扰动414

11-3.2 具有电流电压调节的中频电源415

11-4 负载感应器计算418

11-4.1 负载感应器的等效电路418

11-4.2 负载等效电路的参数419

11-4.3 N匝感应器的参数419

11-4.4 计算实例420

11-4.5 电源频率和功率的选择420

11-5.2 整流侧电参数计算421

11-5 中频电源设计实例421

11-5.1 给定数据421

11-5.3 逆变侧电参数计算422

参考文献422

第12章 直流电动机调速用变流器424

的设计424

12-1 直流电动机调速用变流器设计424

的一般要求424

12-1.1 直流调速系统的品质指标424

12-1.2 晶闸管变流器与其他变流方式的比较426

12-1.3 对变流器设计的一般要求426

12-2 负载类型428

12-2.1 尖峰负载428

12-2.2 偶尔出现过载的稳定负载429

12-2.3 重复负载429

12-2.4 电流轮廓曲线429

12-2.5 标准工作制（负载等级）430

12-3 主电路的设计432

12-3.1 主电路的联结型式432

12-3.2 可逆传动433

12-3.3 直流调速用变流器主电路计算系数440

12-3.4 主电路元器件的选择440

12-4 控制方式449

12-4.1 晶闸管直流调速系统的类型449

12-4.2 有环流可逆系统449

12-4.3 逻辑控制无环流可逆系统459

12-4.4 错位无环流可逆系统462

12-5 晶闸管直流调速系统的工程计464

算464

12-5.1 工程计算的基础464

12-5.2 典型环节的传递函数473

12-5.3 系统计算的工程处理方法475

12-5.4 计算举例482

第13章 交流电动机调速用变流器486

参考文献486

13-1 调速用间接变频器（交直-交487

第13章 交流电动机调速用变流器变频器）487

13-1.1 基本原理及分类487

13-1.2 电压型变频器488

13-1.3 电流型变频器492

13-1.4 变频器的触发控制电路496

13-2.2 转子整流器的工作状态503

13-2.1 串级调速工作原理503

13-2 晶闸管串级调速用变流器503

13-2.3 串级调速的机械特性504

13-2.4 串级调速系统的动态校正511

13-2.5 串级调速的效率及功率因数512

13-2.6 串级调速系统主回路主要部件的设计514

13-2.7 超同步串级调速516

13-3 交流电动机调速用周波变流器518

13-3.1 基本原理519

13-3.3 自然环流运行方式520

13-3.2 周波变流器的无环流运行方式520

13-3.4 局部环流运行方式521

13-3.5 周波变流器的主电路型式522

13-3.6 周波变流器的触发控制523

13-3.7 最高输出频率525

13-3.8 晶闸管元件的电压、电流容量526

参考文献527

第14章 直流斩波器的原理和设计527

14-1 直流斩波器的基本原理528

14-1.1 晶闸管直流开关528

14-1.2 直流降压斩波电路和升压斩波电路529

14-1.3 单象限、两象限和四象限斩波电路530

14-1.4 多相多重直流斩波电路530

14-1.5 直流斩波调压、斩波调磁和斩波调阻电路530

14-1.6 直流电动机调速用斩波电路的调节方式532

14-1.7 直流斩波电路的基本形式533

14-2.1 逆阻晶闸管直流斩波器的原理和计算公式534

14-2 直流斩波器的原理和计算公式534

14-2.2 逆导晶闸管直流斩波器的原理和计算公式536

14-2.3 可关断晶闸管直流斩波器的原理和计算公式540

14-2.4 电力晶体管直流斩波电路的原理和计算公式542

14-3 直流斩波调速系统的设计544

14-3.1 直流斩波调速系统的组成544

14-3.2 直流斩波系统的参数设计方法544

14-3.3 设计举例546

14-4 应用电路举例552

14-4.1 在城市无轨电车上的应用552

14-4.2 在地下铁道电动客车上的应用554

14-4.3 ZK-？电机车斩波调速系统555

14-4.4 工业传动用GTO斩波调速系统555

参考文献556

第15章 晶闸管交流电力控制器的应用与设计556

15-1 晶闸管交流调压器557

15-1.1 主电路设计558

15-1.2 触发电路设计564

15-2 晶闸管交流调功器569

15-2.1 型号和基本参数570

15-2.2 基本原理571

15-2.3 主电路设计要点571

15-2.4 控制电路设计要点573

15-2.5 保护电路设计要点577

15-2.6 使用要点577

15-3 交流电力电子开关578

15-3.1 主要技术参数578

15-3.2 工作原理579

15-3.3 设计特点580

15-3.4 交流电力电子开关的选用593

15-3.5 典型用例及效益594

参考文献595

第16章 高压直流输电用变流器和静止无功补偿器的设计595

16-1.1 直流输电与交流输电596

16-1 直流输电的发展概况596

16-1.2 两端运行与多端运行597

16-2 静止无功补偿器的基本情况599

16-2.1 自饱和电抗器型静止无功补偿器601

16-2.2 可控饱和电抗器型静止无功补偿器602

16-2.3 晶闸管相控电抗器（TCR）型静止无功补偿器606

16-2.4 晶闸管投切电容器（TSC）型静止无功补偿器610

16-2.5 混合型静止无功补偿器612

16-3 高压阀及其过电压保护614

16-3.1 高压直流输电变流站的绝缘配合614

16-3.2 串联晶闸管和串联“晶闸管对”的保护619

16-3.3 杂散电容的影响及有关措施621

16-3.4 换相振荡及其阻尼方法622

16-3.5 阻尼电抗器（阳极电抗器）625

16-4.1 电磁触发626

16-4.2 光电触发及脉冲功放取能626

16-4 高压阀的触发系统626

16-4.3 晶闸管故障报警系统628

16-5 静止无功补偿器的设计628

16-5.1 静止无功补偿系统参数计算示例628

16-5.2 静止无功补偿器用晶闸管阀的设计630

参考文献638

17-1.2 基本概念640

17-1.1 特点640

17-1 概述640

第17章 电磁器件的设计640

17-1.3 各种结构类型的计算公式641

17-1.4 计算公式的应用651

17-2 变流变压器的设计654

17-2.1 用途和特点654

17-2.2 主要技术参数655

17-2.3 结构特征656

17-2.4 设计计算659

17-3.2 不同接法的比较664

17-3.1 用途与分类664

17-3 饱和电抗器的计算设计664

17-3.3 调压型饱和电抗器的工作原理666

17-3.4 调压型饱和电抗器的计算方法667

17-3.5 调流型饱和电抗器的工作原理670

17-3.6 调流型饱和电抗器的计算方法671

17-3.7 饱和电抗器的计算实例672

17-4 平衡电抗器的计算设计674

17-4.1 用途与分类674

17-4.2 基本关系674

17-4.3 150Hz的平衡电抗器674

17-4.4 300Hz的平衡电抗器677

17-4.5 平衡电抗器的计算实例679

17-5 平波电抗器的计算设计681

17-5.1 平波电抗器的参数计算681

17-5.2 平波电抗器的结构设计681

17-5.3 平波电抗器的计算程序683

17-5.4 平波电抗器的计算实例684

17-6 均流电抗器的计算设计685

17-6.1 用途与分类685

17-6.2 均流电抗器的铁心结构685

17-6.3 均流电抗器的计算方法686

第18章 电力电子设备试验689

18-1 变流装置试验项目分类与试689

验目的689

18-1.1 试验项目689

18-1.2 试验分类689

18-1.3 试验目的和应用689

18-2 变流器试验690

18-2.1 试验条件的准备690

18-2.2 一般变流器的试验方法690

18-2.3 直流输电用变流阀的试验项目与试验方法696

18-3 变流装置试验举例700

18-3.1 同步电动机励磁用晶闸管变流器试验702

18-3.2 电化学用整流装置的试验704

18-3.3 低同步晶闸管串级调速装置的试验705

参考文献706

第19章 电力半导体器件试验708

19-1 晶闸管测试项目分类708

19-1.1 额定值和特性708

19-1.2 逐批检验和周期检验708

19-2.3 断态峰值电流和反向峰值电流的测试709

19-2.2 断态不重复峰值电压和反向不重复峰值电压的测试709

19-2.1 晶闸管的伏安特性709

19-2 晶闸管伏安特性测试709

19-2.4 光点跟踪法测试710

19-3 门极触发特性测试710

19-3.1 门极触发电流和触发电压的测试710

19-3.2 半自动停表式门极触发参数电路712

19-4 维持电流的测试712

19-4.1 测试原理电路712

19-5.1 测试方法713

19-5 通态峰值电压的测试713

19-6 通态浪涌（不重复）电流的测试714

19-6.1 测试原理电路714

19-6.2 试验条件714

19-6.3 浪涌电流测试电路714

19-7 门极控制开通时间的测试715

19-7.1 测试原理电路716

19-7.2 测试要求716

19-7.3 电路参数要求716

19-7.4 实用晶闸管门极控制开通时间测试电路716

19-8 关断时间716

19-8.1 关断时间测试原理及要求717

19-8.2 试验条件718

19-9 断态电压临界上升率的测试718

19-9.1 测试原理电路718

19-9.2 测试方法718

19-10 整流二极管测试719

19-9.3 试验条件719

第20章 设计参考资料及数据720

20-1 常用电气图形符号720

20-1.1 电流和电压种类720

20-1.2 接地、接机壳和等电位721

20-1.3 电阻器、电容器和电感器721

20-1.4 半导体器件725

20-1.5 电机730

20-1.6 变压器和电抗器736

20-1.7 变流器742

20-1.8 原电池和蓄电池743

20-1.9 触点（触头）743

20-1.10 开关、开关装置和起动器745

20-1.11 机电式有或无继电器749

20-1.12 测量继电器751

20-1.13 熔断器和熔断器式开关752

20-1.14 测量仪表、灯和信号器件754

20-1.15 变换器758

20-2 变流器配套设备758

20-2.1 整流变压器758

20-2.2 快速熔断器765

20-2.3 直流快速断路器769

20-2.4 直流母线式大电流刀开关772

20-2.5 纯水、软水冷却装置772

20-3.1 F007通用Ⅲ型运算放大器774

20-3 运算放大器和集成触发器774

20-3.2 F005通用Ⅱ型运算放大器（不调零）775

20-3.3 XFC80型双运算放大器776

20-3.4 集成化触发器779

20-4 电磁材料787

20-4.1 电机工业中常用硅钢片的磁性能和冷轧单取向薄带硅钢、常用硅钢片的主要应用范围787

20-4.2 铁氧体磁性材料的部分牌号和主要磁性能789

20-5 电线电缆789

20-5.1 裸电线789

20-5.2 铝、铜扁线及铝母线794

20-6 电工成套装置中的导线颜色795

20-6.1 依导线颜色标志电路795

20-6.2 依电路选择导线颜色796

参考文献796

附录 电力电子器件与半导体电力变流器定型产品目录A 电力电子器件797

A-1 普通整流二极管798

A-2 快速整流二极管798

A-3 普通晶闸管799

A-4 快速晶闸管800

A-5 双向晶闸管801

A-6 单相桥式整流组合管802

A-7 高压整流二极管堆802

A-8 旋转型整流二极管803

A-9 硅二极管降压堆803

A-10 可关断晶闸管803

B 半导体电力变流器803

B-1 一般工业用整流器805

B-2 蓄电池充电用整流器806

B-3 电镀用整流器810

B-4 电化学用整流器813

B-5 励磁用整流器816

B-6 牵引变电站用整流器818

B-7 分合闸用整流器819

B-8 串级调速用变流器821

交流调压器）和调功器824

B-9 晶闸管交流电压控制器（电子824

B-10 感应加热用晶闸管中频电源826

B-11 晶闸管不间断电源827

B-12 高压收尘用整流器和高压恒流整流器827

B-13 电解加工用整流器831

B-14 直流调速用变流器832

B-15 高精度直流稳定电源840

B-16 电影放映机用整流器841

B-17 镉镍电池分合闸用整流器841