電力電子技術及應用

編輯：路乙達

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本書針對應用型本科院校的教學特點，在較低的專業基礎平台上，對移相控制的教學內容進行了刪減，同時補充了電力電子學科的新技術（包括PWM整流電路、軟開關技術及其應用、電力電子技術在可再生能源中的應用、電能無線傳輸技術等），還通過對電力電子技術應用系統構成及原理的介紹培養學生系統仿真與設計能力和系統裝配與調試技能。本書注重簡潔的基礎知識和實際應用，在表達方式上力求做到語言通俗、簡潔易懂，在實踐教學方面提供完整的設計實例，便於學生舉一反三，以提高學生的興趣。 本書可作為應用型本科院校自動化、電氣工程及其自動化、儀器儀表、新能源、機器人工程等專業的教材，也可供相關領域的工程技術人員參考。 ^[1] 

前言

第1章緒論1

1.1電力電子技術的定義與特點1

1.1.1電力電子技術的定義1

1.1.2電力電子學1

1.1.3電力電子技術的特點2

1.1.4電力電子技術的作用3

1.2電力電子技術的發展歷史3

1.3電力電子技術的發展趨勢與前景6

1.4電力電子技術的應用領域7

1.5電力電子技術研究的內容9

1.5.1電力電子器件9

1.5.2電力電子變換器的主電路拓撲結構10

1.5.3電力電子變換器的基本類型11

1.5.4電力電子電路的控制12

思考題與習題13

第1篇不/半控型器件及相控變流器

第2章不/半控型器件15

2.1電力二極管15

2.1.1電力二極管的結構15

2.1.2基本特性16

2.1.3主要參數16

2.1.4主要類型17

2.2晶閘管及其派生器件17

2.2.1晶閘管的結構和工作原理17

2.2.2晶閘管的基本特性19

2.2.3晶閘管的主要參數21

2.2.4晶閘管的派生器件23

思考題與習題26

第3章晶閘管門極觸發電路及保護27

3.1晶閘管門極觸發電路的基本要求27

3.2晶閘管門極觸發電路的分類28

3.3晶閘管門極觸發電路29

3.3.1單結晶體管觸發電路29

3.3.2強觸發脈衝電路31

3.3.3集成觸發電路31

3.3.4數字觸發電路37

3.3.5GTO門極觸發電路41

3.4觸發電路的定相43

3.5電力電子器件的緩衝電路與串並聯47

3.5.1緩衝電路47

3.5.2電力電子器件的串並聯50

3.6晶閘管的保護52

3.6.1過電壓的產生及過電壓保護52

3.6.2過電流保護53

3.7電力電子器件的發熱與散熱54

3.7.1電力電子器件的發熱54

3.7.2電力電子器件的散熱56

思考題與習題58 ^[1] 

第4章移相控制理論基礎60

4.1移相控制數學基礎60

4.1.1三角函數常用公式60

4.1.2三角函數的微積分公式63

4.1.3單相正弦交流分析63

4.1.4三相正弦交流分析64

4.2移相控制理論66

4.2.1移相控制理論概述66

4.2.2單脈波波形的分析67

4.2.3雙脈波波形的分析68

4.2.4三脈波波形的分析71

4.2.5六脈波波形的分析73

4.2.6不同脈波的波形係數變化規律76

4.3整流電路的運行方式與控制角的關係77

思考題與習題78

第5章相控整流電路及有源逆變電路80

5.1相控整流電路80

5.2二極管不控整流電路82

5.2.1單相半波不控整流電路82

5.2.2單相橋式不控整流電路83

5.3單相可控整流電路84

5.3.1電阻性負載的單相半波可控整流電路84

5.3.2電感性負載的單相半波可控整流電路86

5.3.3電阻性負載的單相橋式整流電路89

5.3.4 電感性負載的單相全控整流電路91

5.3.5帶續流二極管電感性負載的單相橋式全控整流電路92

5.3.6帶反電勢負載的單相橋式全控整流電路93

5.3.7單相橋式半控整流電路94

5.4三相半波可控整流電路97

5.4.1電阻性負載的三相半波可控整流電路97

5.4.2電感性負載的三相半波可控整流電路102

5.4.3有續流二極管的三相半波可控整流電路103

5.4.4共陽極連接的三相半波可控整流電路104

5.5三相橋式全控整流電路104

5.5.1大電感負載在α=0時的理想工作狀態105

5.5.2大電感負載在α＞0時的理想工作狀態107

5.5.3純電阻性負載時的工作狀態110

5.5.4三相橋式全控整流電路的換流過程分析112

5.6有源逆變電路116

5.6.1電源間能量傳輸的條件116

5.6.2利用三相橋式全控整流電路構成的有源逆變電路116

5.6.3逆變狀態的顛覆現象 118

5.6.4整流橋拉入逆變狀態運行的特殊應用119

5.7負載性質對整流器的影響和整流器的功率因數121

5.7.1有限電感負載時的工作狀況122

5.7.2反電動勢負載（0＜L＜∞）時的工作狀況125

5.7.3整流電路的功率因數127

5.8相控整流器的工程設計129

5.8.1相控整流電路的設計流程129

5.8.2設計舉例133

思考題與習題134 ^[1] 

第2篇全控型器件及脈衝控制變流器

第6章全控型電力電子器件137

6.1電力雙極型晶體管137

6.1.1GTR的結構及工作原理137

6.1.2GTR的類型137

6.1.3GTR的特性138

6.1.4GTR的主要參數139

6.2電力場效應晶體管140

6.2.1Power MOSFET的結構及工作原理140

6.2.2Power MOSFET的靜態特性和主要參數141

6.2.3Power MOSFET的動態特性和主要參數142

6.2.4Power MOSFET的安全工作區143

6.3絕緣柵雙極型晶體管144

6.3.1IGBT的結構及工作原理144

6.3.2IGBT的基本特性144

6.3.3擎住效應和安全工作區146

6.4其他新型電力電子器件146

6.4.1靜電感應晶體管146

6.4.2靜電感應晶閘管147

6.4.3MOS控制晶閘管147

6.4.4集成門極換流晶閘管148

6.4.5功率集成電路148

6.4.6智能功率模塊149

思考題與習題150

第7章全控型器件的驅動電路與保護電路151

7.1驅動電路的基本要求151

7.2GTR的驅動電路和保護電路152

7.3Power MOSFET的驅動電路和保護電路155

7.4IGBT的驅動電路156

思考題與習題159

第8章脈衝寬度調製技術160

8.1PWM的基本原理160

8.2PWM的工作模式161

8.2.1單極性PWM模式161

8.2.2雙極性PWM模式161

8.3正弦波脈衝寬度調製技術162

8.3.1單相單極性SPWM163

8.3.2單相雙極性SPWM163

8.3.3三相雙極性SPWM164

8.4SPWM的實現方案165

8.4.1計算法和調製法165

8.4.2異步調製和同步調製165

8.4.3自然採樣法和規則採樣法166

8.4.4PWM跟蹤控制方法168

思考題與習題171 ^[1] 

第9章PWM整流電路172

9.1PWM整流電路的基本原理172

9.1.1概述172

9.1.2PWM整流電路的工作原理172

9.1.3PWM整流器的主電路拓撲結構174

9.2單相電壓型PWM整流電路176

9.2.1單相電壓型PWM整流器的基本拓撲結構176

9.2.2單相電壓型PWM整流器的數學模型177

9.3三相電壓型PWM整流電路177

9.3.1三相PWM整流器動態數學模型178

9.3.2基於狀態空間平均法數學模型179

9.3.3三相電壓型PWM整流器換流過程的分析181

9.4電壓型PWM整流電路的控制183

9.4.1單相電壓型PWM整流器的控制183

9.4.2三相PWM整流器的控制184

思考題與習題191

第10章PWM直流斬波電路192

10.1非隔離型DCDC變換電路192

10.1.1降壓型電路192

10.1.2升壓型電路197

10.1.3升降壓型電路201

10.1.4庫克型電路203

10.1.5Zeta型電路206

10.1.6Sepic型電路208

10.2隔離型DCDC變換電路210

10.2.1正激電路210

10.2.2反激電路212

10.2.3推輓電路215

10.2.4半橋電路216

10.2.5全橋電路218

10.3DCDC變換電路之間的關係220

思考題與習題221

第11章PWM逆變電路222

11.1概述222

11.1.1逆變電路的分類222

11.1.2DCAC變換的工作原理222

11.1.3逆變電路的換流方式224

11.2電壓型逆變電路225

11.2.1單相電壓型逆變電路225

11.2.2三相電壓型逆變電路227

11.3電流型逆變電路229

11.3.1單相電流型逆變電路229

11.3.2三相電流型逆變電路230

思考題與習題232

第12章ACAC變換電路233

12.1交流調壓電路233

12.1.1單相相位控制的交流調壓電路234

12.1.2三相相位控制的交流調壓電路238

12.1.3斬波控制的交流調壓電路242

12.2交流電力控制電路245

12.3交交變頻電路247

12.3.1單相交交變頻電路247

12.3.2三相交交變頻電路252

12.4矩陣式變頻電路255

12.4.1基本工作原理256

12.4.2控制策略258

思考題與習題259

第3篇電力電子技術的工程應用

第13章軟開關技術及其應用261

13.1軟開關的基本概念及分類261

13.1.1硬開關和軟開關261

13.1.2零電壓開關和零電流開關262

13.1.3軟開關電路的分類263

13.2典型的軟開關電路266

13.2.1零電壓開關準諧振電路266

13.2.2移相全橋型零電壓開關PWM電路268

13.2.3零電壓轉換PWM電路270

13.2.4諧振直流環272

思考題與習題274

第14章電力電子裝置及應用275

14.1開關電源275

14.1.1直流穩壓電源概述275

14.1.2開關電源的設計276

14.2不間斷電源281

14.2.1UPS電源的分類281

14.2.2UPS電源中的電力電子變換電路284

14.3靜止無功補償裝置285

14.3.1晶閘管控制的電抗器285

14.3.2晶閘管投切電容器補償裝置286

14.3.3靜止無功發生器286

14.4電力儲能系統287

14.4.1蓄電池儲能和超級電容器儲能288

14.4.2飛輪儲能289

14.4.3超導儲能290

14.5電力電子技術在可再生能源中的應用291

14.5.1電力電子技術在光伏發電系統中的應用292

14.5.2電力電子技術在風力發電系統中的應用296

14.6柔性交流輸電系統298

14.7直流電機調壓調速系統299

14.7.1工作於整流狀態時299

14.7.2工作於有源逆變狀態時302

14.7.3直流可逆電力拖動系統303

14.8交流變頻調速系統305

14.8.1交直交變頻器306

14.8.2交流電動機變頻調速的控制方式308

14.9功率因數校正技術309

14.9.1功率因數校正電路的基本原理310

14.9.2單級功率因數校正技術312

14.10電能無線傳輸技術313

14.10.1基礎理論與分類313

14.10.2無線電能傳輸系統的拓撲結構模型316

14.10.3基於PCB的感應式能量傳輸系統的設計322

思考題與習題325

參考文獻326 ^[1]