晶闸管三相全桥电动机控制系统设计

 目录 第一章 三相全控桥主电路设计 ........................................ 1 1.1 整流变压器设计 .............................................. 1 1.1.1设计原理 ............................................... 1 1.1.2 参数计算 ............................................... 1 1.2 整流电路设计 ................................................ 2 1.2.1 晶闸管参数计算 ......................................... 2 1.2.2 晶闸管电路对电网的影响 ................................. 3 1.2.3 晶闸管电路对系统功率因数的影响 ......................... 4 1.3 平波电抗器的参数计算 ........................................ 5 第二章 触发电路设计 ................................................ 7 2.1 触发电路选择 ................................................ 7 2.2 TC787芯片介绍 .............................................. 7 2.2.1 芯片介绍 ............................................... 7 2.2.2管脚介绍 ............................................... 7 2.3 触发电路设计 ................................................ 9 2.3.1原理说明 ............................................... 9 2.3.2 同步信号的定相 ........................................ 10 第三章 保护电路设计 ............................................... 12 3.1 过电压保护设计 ............................................. 12 3.1.1 交流侧过电压保护 ...................................... 12 3.1.2 直流侧过电压保护 ...................................... 12

3.1.3 晶闸管换相过电压保护 .................................. 13 3.2 过电流保护设计 ............................................. 13 3.3 缓冲电路设计 ............................................... 14 3.3.1 dudt抑制电路设计 ..................................... 14 3.3.2 didt抑制电路设计 ...................................... 14 设计心得 .......................................................... 15 参考文献 .......................................................... 16 附录：三相桥式全控晶闸管-电动机系统设计系统电路总图 ............... 16

三相全控桥式晶闸管-电动机系统设计 1 三相全控桥主电路设计 1.1 整流变压器设计 1.1.1设计原理 由题目要求可知，供电电压为380V市电电压而整流电路的负载是额定电压值为220V的直流电动机，同时题目性能要求整流输出直流电压为0~220V，所以整流电路的输入电压最大值应为220V，实现380V电压到220V的电压可以使用合适型号的变压器实现，本设计采用即选用合适的变压器实现降压。而整流电路通常都是采用变压器实现降压，变压器不但可以实现降压而且还多用来作为隔离电路，由于晶闸管整流电路会对电网造成谐波污染等负面影响，所以设计电路时也需要隔离电路以减小影响，在本设计中变压器可以减弱晶闸管整流电路对电网以及其他用电设备的干扰起到隔离作用降低晶闸管电路的负面影响。 1.1.2 参数计算 变压器一次侧电压为380V，二次侧电压为220V，变压器一、二次侧采用连接方式，若不计变压器的励磁电流，则一、二次侧电压与变比关系为： N13U1N2U2 33803 220 代入数值：  式中N1、N2为一、二次侧线圈匝数比，U1、U2为一、二次侧电压值。 由于整流电路输出结果并不是标准的幅值大小不变的正弦波，变压器的电流、容量计算与电路连接形式有关，不过计算变压器容量时我们可以取

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220V作为有效值计算。 对于三相桥式全控电路，变压器一、二次侧采用连接方式时，接电动机负载，电路中接入平波电抗器电感足够大以使负载电流连续，此时变压器二次侧电流为正负半周各宽120、前沿相差180的矩形波，其有效值为： I212222(Id(Id)2)Id0.816Id 233350，则I2计算变压器容量时可取I2IN 由已知直流电动机额定参数IN 即： I20.8165040.8 一次侧电流为： I1I240.813.6 K3 故变压器一次侧容量为：S13U1I13380V13.6A15.504KV.A 变压器二次侧容量为：S23U2I23220V40.8A26.928KV.A 故可选择电压器容量为：S1.2 整流电路设计 1.2.1 晶闸管参数计算 由于晶闸管具有耐压性好，经济性好，性能稳定等优点，设计采用六个晶闸管组成三相全控整流电路，下面计算晶闸管选型时所需参数：晶闸管额定电压与额定电流，根据性能指标要求整流电路输出最大直流电流为： Idmax75A 1(S1S2)21.216KV.A 2 由于整流电路采用三相全控形式晶闸管有效值与Idmax的关系为： IVT1Idmax 3 代入数据计算得： 则晶闸管的额定电流为： IVT7543.30A 3IN(1.5~2)IVT 1.57 2

代入数值计算得： IN(1.5~2)43.30A41.37~55.16A 1.57 对于整流电路采用三相全控形式晶闸管承受的最大电压为： 2.45U2539V 故晶闸管的额定电压为： 代入数值计算得： UNUN(2~3)2.45U2 (2~3)2.45220V1078~1617V 根据电路要求需选用六个晶闸管组成整流电路，按照上述晶闸管参数计算选择合适的晶闸管构成整流电路。电路图接线大致如下： 图1 三相桥式整流主电路图 1.2.2 晶闸管电路对电网的影响 理论分析学习时我们市场将晶闸管看做理想元件，但是在实际应用中分析问题时，我们不能将其看做理想元件，其有些负面影响是我们应用时必须要考虑的。晶闸管电路对电网的影响主要表现在谐波污染和无功功率两个方面： 晶闸管要消耗无功功率，会对电网产生不利影响，主要表现为： 1.无功功率会导致电流增大和视在功率增加，导致设备容量增加。 2.无功功率增加，会导致总电流增加，从而使设备和线路的损耗增加。 3.无功功率是线路压降增大，冲击性无功负载还会导致电压剧烈波动。 晶闸管会产生谐波，对公用电网产生危害，主要表现为： 1.谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾。

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2.谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏。 3.谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述1)和2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故。 4.谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表不准确。 5. 谐波会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许的范围内，使接在电网中的电气设备能免受谐波干扰而正常工作。 所以电路时一般采用相应措施消除无功功率与谐波产生的不利影响，本电路采用的变压器设备可以起到减弱谐波对电网的不利影响。 1.2.3 晶闸管电路对系统功率因数的影响 三相桥式全控整流电路接电动势负载时，由于设计加入平波电抗器以达到设计要求即电流连续，所以接电动机负载即电动势负载时可以看做感性负载来计算功率因数，即交流侧电抗为零，直流侧电感L为足够大，以30为例，此时电流正负半周各120方波，三相电流波形相同，且依次相差180，其二次侧电流有效值与整流输出电流的关系为： I22Id 3将电流分解为傅里叶级数，以a相为例，将电流正、负两半波的中点作为时间零点，则有： ia231111[sinsin5sin7sin11sin13] 571113 4

23Idsin23Idn61k1,2,3(1)1sinn 2I1sin1,2,3n61(1)2Insin 由上式可知电流基波I1与各次谐波有效值In分别为： I1In66nIdId 其中n61，1,2,3 由此可得以下结论：电流中仅含61（为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。 经计算可知谐波因数为： I130.955 I2 电流基波与电压的相位差为，故位移因数仍为： 1cos1cos 功率因数即为： 1I13cos1cos0.955cos I21.3 平波电抗器的参数计算 在使用晶闸管整流装置供电时，其供电电压和电流中，含有各种谐波成份。当控制角增大，负载电流减小到一定程度时，还会产生电流断续现象，造成对变流器特性的不利影响。当负载为直流电动机时，由于电流断续和直流电动机的脉动，会使晶闸管导通角减小，整流器等效内阻增大，电动机的机械特性变软，换相条件恶化，并且增加电动机的损耗。因此，除在设计变流装置时要适当增大晶闸管和二极管的容量，选择适于变流器供电

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的特殊系列的直流电动机外，通常还采用在直流电路内串接平波电抗器，以限制电流的脉动分量，维持电流连续。 根据设计性能指标要求，保证电流连续的最小电流为5A，则电抗器的电感计算为： L11U2mH Idmin 式中：U2为变压器二次侧电压有效值。 Idmin为要求连续的最小负载电流平均值。 1为与整流主电路有关的计算系数。 对于不同的控制角，所需的平波电抗器的电感量计算公式为： L11U2sinmHIdmin Idmin5， 式中：U2为变压器二次侧电压有效值取220V，由1为与整流电路有关的计算系数，三相全控桥式电路10.693，计算时取sin1，代入相关参数可以计算出电路所需的最大电感值为： L10.693220mH30.492mH5 整流变压器漏电感折算到刺次级绕组每相的漏电感LT为： LTLTu%U2mH100Id 式中：U2为变压器次级相电压有效值。 Id为整流电路额定输出电流平均值。 u%为变压器的短路比，0~100KV.A的变压器u%5。 KT为与整流主电路形式有关的计算系数。 Id 本设计电路中U2220V，由设计要求知：50A，u%5，变压器短路比取：计算系数取：LT

3.9，将各参数代入计算公式得： 6

LT3.95220mH0.858mH 100507mH 由已知电动机参数知电枢电感为：LI 根据上述计算可得出平波电抗器的大致电感为： LL1LTLI 代入各电感参数得： L(30.4920.8587)mH22.634mH 选择具体平波电抗器时应选择电感值比上述计算得出的电感值L大的平波电抗器。 2 触发电路设计 2.1 触发电路选择 晶闸管可控整流电路时通过控制触发角的大小，即控制触发脉冲起始相位来控制输出电压大小的，属于相控电路。由于集成电路可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便。随着集成电路制作技术的提高，晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，现已逐步取代分立式电路。同时传统的集成触发器KJ和KC系列完成六个晶闸管需要多个芯片共同才能实现，电路比较麻烦。TC787一片芯片即可以完成对六个晶闸管的触发，所以本设计电路选用TC787集成触发电路。 2.2 TC787芯片介绍 2.2.1 芯片介绍 TC787是用独有的先进IC工艺技术，并参照最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路，它可单电源工作，亦可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和交流装置，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠。 2.2.2管脚介绍

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TC787管脚图如下： 图2 TC787管脚图 管脚说明： 1 同步电压输入端：引脚1、引脚2及引脚18为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787的工作电源电压VDD。 2 脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8、引脚10、引脚12分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7、引脚9、引脚11分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。 3 控制端 （1）引脚4：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为

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TC787的工作电源电压VDD。 （2）引脚5：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。 （3）引脚6：TC787工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。 （4）引脚13：该端连接的电容容量决定着TC787输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。 （5）引脚14、引脚15、引脚16：对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。 4 电源端 TC787可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3接地，而引脚17允许施加的电压为8~18V。双电源工作时，引脚3接负电源，其允许施加的电压幅值为-4~-9V，引脚17接正电源，允许施加的电压为+4~+9V。 2.3 触发电路设计 2.3.1原理说明 380三相交流电经过同步变压器变压为30V的同步信号a1，b1，c1后，经过电位器RP1，RP2，RP3及RCT型网络滤波接入到TC787的同步电压输入端，通过调节RP1，RP2，RP3可微调各相电压的相位，以保证同步信号与主电路的匹配。Ca，Cb，Cc为积分电容，TC787芯片的锯齿波的线性、幅度由Ca、Cb、Cc电容决定，因此，为了保证锯齿波有良好的线性及三相锯齿波斜率的一致性，选择Ca、Cb、Cc时要求其3个电容值的相对误差要非常小，以产生的锯齿波线性好、幅度大且不平顶为宜。Ca、Cb、Cc为电容量的参考值为0.15F。连接在13脚的电容Cx决定输出脉冲的宽度，Cx越大，脉冲越宽，可得到0~80范围的方波，不过脉冲太宽会增大驱动级的损耗。Cx参考值为3300F~0.1F。调节RP可以使输入4脚的电压0~12V之间连续变化，从而使输出脉冲在0~180之间变化，7~12脚的输出端有大于25mA的输出能力，采用6只驱动管扩展电流，经脉冲变压器隔离后将脉冲接到晶闸管的控制极(g)和阴极(k)之间，以触发晶闸管。其中，RP1~RP3：

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10k；R1、R2、R3：200k；C1、C2、C3：10F；C4、C5、C6：1F；R：20k。触发电路图如下： 图3 TC787构成的触发电路 2.3.2 同步信号的定相 向晶闸管整流电路供电的交流侧电流通常来源于电网，电网电压的频率不是固定不变的，而是会在允许的范围内有一定的波动。触发电路除了应当保证工作频率与猪电路交流电源的频率一致外，还应保证每个晶闸管触发脉冲与施加于晶闸管的交流电压保持固定、正确的相位关系，这就是触发电路的定相。 为了保证触发电路和主电路频率一致，利用一个同步变压器，将其一次侧接入为主电路供电的电网，由其二次侧提供同步电压信号，这样由同步电压决定的触发脉冲频率与主电路晶闸管电压频率始终一致。接下来的问题就是触发电路的定相，即选择同步电压信号的相位，以保证触发脉冲相位正确。 对于晶闸管VT1，其阳极与交流侧电压ua相接，可简单表示为VT1所接主电路电压为ua，VT1的触发脉冲从0~180的范围为1~2。采用锯齿波同步

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的触发电路时，同步信号负半周的起点对应于锯齿波的起点，通常使锯齿波的上升段为240，上升段起始的30和终了的30线性度不好，舍去不用，使用中间的180。锯齿波的中点与同步信号的300位置对应。 三相桥整流器大量用于直流电动机调速系统，且通常要求可实现再生制动，使Ud0的触发角为90。当90为整流电路，90时为你变工作。将90确定为锯齿波的中点，锯齿波向前、向后各有90的移相范围。于是90与同步电压的300对应，也就是0与同步电压的210对应。0对应于ua的30位置，则同步信号的180与ua的0对应，说明VT1的同步电压应滞后于ua180。 对于其他五个晶闸管，也存在同样的对应关系，即同步电压应滞后于主电路电压的180。对于共阳极组的VT4、VT6和VT2，他们的阴极分别于ua、ub和uc相连，可简单表示它们的主电路电压分别为ua、ub和uc。 以上分析了同步电压与主电路的电压关系，一旦确定了整流变压器和同步变压器的接法，即可选定每一个晶闸管的同步电压信号。本设计中变压器采用接法，同时为了防止电网电压波形对触发电路发声干扰，对同步电压进行RC滤波，当RC滤波器滞后角为60时，同步电压选取结果如表1所示。 表1 三相全控桥各晶闸管的同步电压 晶闸管 主电路电压

VT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT6 ua uc ub ua uc ub usb usa usc 11

usb usa usc

同步电压 3 保护电路设计 3.1 过电压保护设计 在整流电路中，电路中的电压会有波动有时会出现比较大的暂态过电压，这时出现的高电压就有可能超过晶闸管的能够正常工作的承受电压，可能发生晶闸管被击穿，失去控制进一步造成整流失败，可能会对供电电路以及供电设备产生很大的不良影响，可能造成较大的经济损失，所以在设计使用晶闸管的整流电路时一定要注意设计保护电路以使晶闸管能够安全正常的工作。通常情况下常采用三种措施抑制暂态过电压：交流侧保护，直流侧保护和元器件保护3种。 3.1.1 交流侧过电压保护 交流侧过电压保护一般是为了减弱电网电压波动对整流电路由其是晶闸管的影响，主要采用变压器二次侧每相通过RC电路抑制过电压，电容主要为吸收能量缓冲电压冲击，电阻主要是为了消耗能量。电容电阻值可以根据具体选定的装置计算得出。其接线图如图4所示 图4 交流侧保护接线示意图 3.1.2 直流侧过电压保护 应为整流电路所带负载是直流电动机即电动势负载，电动机有时可能会

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处于发电状态产生较大过电压，所以电路中应加入保护电路消除其产生过电压时的不利影响，通常采用将电容电阻串联电路与负载并联。电容值电阻值通过计算得出。如图5所示： 图5 直流侧保护接线示意图 3.1.3 晶闸管换相过电压保护 晶闸管开关过程可能的过电压主要为换相过电压，全控型器件在较高频率下工作时还存在关断过电压，对于换相过电压通常采用RC过电压抑制电路，通常形式是电阻电容串联后与晶闸管并联，RCD电路同样也可以作为晶闸管换相过电压的保护电路。电阻电容值需根据晶闸管选型计算得到。一般连接形式如图5 图6 换相过电压保护线路接线示意图 3.2 过电流保护设计 电力电子电路运行不正常或者发生故障是，可能发生过电流。过电流分为过载和短路两种情况。晶闸管元件承受过电流的能力也很低，若过电流数值较大而切断电路的时间又稍长，则晶闸管元件因热容量小就会产生热击穿而损坏。因此必须设置过流保护，其目的在于一旦变流电路出现过电流，就把它限制在元件允许的范围内，在晶闸管被损坏前就迅速切断过电

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流，并断开桥臂中的故障元件，以保护其它元件。通常采用快速熔断器、直流快速断路器和过流继电器的措施来预防过电流的产生。本设计中采用选择合适的快速熔断器来实现过电流保护，快速熔断器可根据相应的选择原则适当选取。 3.3 缓冲电路设计 3.3.1 dudt抑制电路设计 处于阻断状态下晶闸管的结面相当于一个结电容，当加到晶闸管上的正向电压上升率过大时，会使流过结面的充电电流过大，起了触发电流的作用，造成晶闸管误导通。从而引起较大稍微浪涌电流，损坏快速熔断器或晶闸管。因此对也必须予以限制，使之小于晶闸管的断态电压临界上升率。dudt一般来自交流侧或者晶闸管换相。 对于交流侧产生的dudt：对于带有整流变压器和交流侧阻容保护的交流装置，因变压器漏电感和交流侧RC吸收电路组成了滤波环节，使由交流电网入侵的前沿陡、幅值大的过电压有较大衰减，并使作用于晶闸管的正向电压上升率大为减小。在无整流变压器供电的情况下，则应在电源输入端串联在数值上相当于变压器漏感的进线电感，以抑制dudt，同时还可以起到限制短路电流的作用。对于晶闸管换相产生的dudt影响比较小，一般忽略不计。 3.3.2 di dt抑制电路设计 晶闸管在导通的初瞬，电流主要集中在靠近门极的阴极表面较小的区域，局部电流密度很大，然后随着时间的增长才逐渐扩大到整个阴极面。此过程需几微秒到几十微秒。若导通时电流上升率太大，会引起门极附近过热，导致PN结击穿使元件损坏。因此必须把限制在最大允许范围内。 产生过大的可能原因有：在晶闸管换相过程中相当于交流侧线电压短路，因交流侧阻容保护的电容放电造成过大；晶闸管换相时因直流侧整流电压突然增高，对阻容保护电容进行充电造成过大。通常，限制的措施主要有：1、在晶闸管阳极回路串入电感。2、采用整流式阻容吸收装置。本设计采用在晶闸管阳极回路中串入电感。电感量根据相关参数计算得出。

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设计心得 电能是目前使用。运输和控制最为方便的能源，也是人类研究较为充分的一种能源。现在人们的生产生活都里不开电能，所以研究如何控制使用电能使之满足各种各样的对电能的需要显得尤为重要，而电力电子技术就是实现这种变换的桥梁，所以我们应该学习好电力电子理论知识，掌握如何利用这些知识解决实际问题，借助这个课程设计的机会，正好检验自己的理论知识的掌握程度，以及应用理论知识的能力，及时的查缺补漏提高自己的学习能力以及实践能力。 这学期首次学习电力电子这么课程，以前学习的大多为弱电范围，电力电子涉及强电又涉及弱电，它是一门利用弱电控制强电的技术，是弱电与强电的桥梁。设计要求看上去与书上内容很相似，实际上却有很大的不同，书上的内容大多是理想化的知识，为了方便理解做了很多简化，而在实际应用中很多问题都是不能简化的，设计的每一个环节都有很多东西要注意，详细的去了解。 通过仔细审题和思考，我发现有很多东西要做，首先要解决的问题就是变压器的选择，因为之前对变压器的学习大多是理论很少涉及具体应用选型，为此我从图书馆借了关于变压器应用的书籍弥补了自己在这反面的缺憾，再者主要就是保护电路的设计部分，之前学习的保护电路大多是理论方面，而针对具体电路各种保护器件的选择方法较少提到，所以我还是求助于图书馆同时也在网上论坛向别人求助解答，虽然得到的很多东西对现在的课程设计并不是很有用，我最终也找到了自己想要学习的部分知识。同时设计时还遇到很多小的问题因为自己知识不牢固或者自己根本不懂在此去回顾课本或者借书或者求助于同学或则网络。最终都解决掉了自己的疑惑。 这次课程设计整个过程虽然很费周折但是却让我收获很多。更让我意识到理论知识要扎实的同时也要注意实践能力，比较将来走向社会还是要靠解决问题的能力生存，理论知识也是为我们能够更好的实践打好理论基础。做到心中无惑才能更好的应对各种问题。同时也要学习学科相关领域的知识，各种知识都是相互联系的，都可以相互利用，不要以为学好一门知识

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就可以很好的解决自己领域的问题，对整个学科涉及相关知识都熟悉掌握才能更好的发挥所长。 参考文献 [1] 王兆安 刘进军 电力电子技术 北京 机械工业出版社,2009.7 [2] 翁瑞琪.袖珍电子工程师手册. 北京 机械工业出版社，2003年3月 [3] 王兆安 杨君 谐波抑制和无功功率补偿 北京 机械工业出版社 2006 [4] 王兆安 张明勋 电力电子设备设计与应用手册 北京 机械工业出版社 2002 [5] 陈治明 电力电子器件基础 北京 机械工业出版社 1992 [6] 李序葆 赵永健 电力电子器件及其应用 北京 机械工业出版社 1996 附录：三相桥式全控晶闸管-电动机系统设计系统电路总图 16