Силовая электроника. Руководство разработчика

УДК 621.31
ББК 31.295

С89
Сукер К. Силовая электроника. Руководство разработчика. — М.:

ДМК Пресс, 2019. — 252 с.: ил. (Серия «Силовая электроника»). 

ISBN 9785970607558

Для специалиста в области электронной техники термин «силовая электроника»
ассоциируется в первую очередь с источниками питания, схемами управления различными испонительными механизмами с мощностью, не превышающей нескольких киловатт. В этой книге рассмотрены особенности оборудования с мощностями, измеряемыми в МЕГАВАТТАХ! Эта книга по сути краткая энциклопедия современной силовой
электроники. 
В первых главах книги приведен интереснейший исторический обзор развития
электротехники, описаны основные компоненты электрических систем. Далее рассмотрены некоторые методы расчетов, основы теории управления системами с обратной
связью, переходные процессы в электрических цепях. Большое внимание уделено
трансформаторам и электрическим машинам — от принципов работы до особенностей
конструкций и систем охлаждения. Весьма подробно описаны выпрямители (в том числе многофазные), IGBT, тиристоры и схемы их применения, рассмотрены вопросы
параллельного и последовательного включения тиристоров. В отдельных главах
рассмотрены 
особенности 
импульсных 
режимов 
работы 
трансформаторов 
и
тиристоров, вопросы, связанные с возбуждением гармоник в сетях электропитания и
коэффициентом мощности, а также с процессами передачи тепла и охлаждения
полупроводниковых приборов. Последняя глава касается применения силовой
электроники. В ней описано множество уникальных устройств — от передатчика
системы связи с подводными лодками и операционного усилителя с мощностью
600 кВт до разнообразных источников питания электродуговых печей, индукционных
нагревателей и генераторов озона. В приложениях представлена разнообразная
полезная информация — от нормирования параметров конденсаторов, применяемых
для коррекции коэффициента мощности, до свойств водных растворов гликоля.
Эта книга будет полезна инженерам и техникам, разработчикам и конструкторам,
работающим в сфере силовой электроники, а также студентам, изучающим различные
аспекты силовой электроники.

УДК 621.31
ББК 31.295

Книга «Силовая электроника. Руководство разработчика» Кита Сукера подготовлена и
издана по договору с Elsevier Ltd, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, OX5 1GB,
England.

ISBN 9785970607558
ISBN 0750679271

© IDC Technologies
© Издательский дом «ДодэкаXXI»
® Серия «Силовая электроника»
© Издание, ДМК Пресс, 2019

Оглавление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  5

Об авторе  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  9

Благодарности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  10

Предисловие  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  11

 Глава 1. Электрическая энергия  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.1.
Переменный ток «против» постоянного  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.
Главные изобретения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.
Генерация электроэнергии  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  16
1.4.
Электричество на транспорте  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  17
1.5.
Энергосистемы общего пользования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  18
1.6.
Распределительные цепи на заводах и фабриках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.7.
Аварийное электропитание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

 Глава 2. Компоненты силовых цепей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.1.
Коммутационная аппаратура  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2.
Ограничители перенапряжения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.
Провода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.4.
Конденсаторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  36
2.5.
Резисторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  39
2.6.
Предохранители . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.7.
Напряжения питания  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.8.
Корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.9.
Испытание высоким напряжением и импульсная прочность изоляции . . . . . . . . . . 44
2.10.  Расстояния между проводами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.11.  Металлооксидные варисторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  46
2.12.  Защитные реле  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

 Глава 3. Методы расчетов в электротехнике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.1.
 Симметричные компоненты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  49
3.2.
Приведенные к единице постоянные  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.3.
Моделирование цепей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Оглавление

Оглавление

3.4.
Программы для моделирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  54

 Глава 4. Схемы управления с обратной связью . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.1.
Основы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  56
4.2.
Амплитудночастотные характеристики . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  57
4.3.
Фазочастотные характеристики  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  60
4.4.
Пропорциональные, интегрирующие и дифференцирующие звенья
регулирования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.5.
Вложенные петли управления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  63

 Глава 5. Переходные процессы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.1.
Помехи в линиях электропередачи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  65
5.2.
Помехи, возникающие внутри оборудования  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  66
5.3.
Электромагнитные помехи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  69

 Глава 6. Бегущие и стоячие волны  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.1.
Основы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  72
6.2.
Явления, связанные с переходными процессами  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  74
6.3.
Способы уменьшения перенапряжения  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  76

 Глава 7. Трансформаторы и реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

7.1.
Основы трансформаторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  80
7.2.
Конструкции трансформаторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  84
7.3.
Системы изоляции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  87
7.4.
Основной уровень импульсной прочности изоляции  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  89
7.5.
Вихревые токи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  90
7.6.
Межфазные трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  94
7.7.
Соединения трансформаторов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  95
7.8.
Реакторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  98
7.9.
Единицы измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  102
7.10.  Охлаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  102
7.11.  Измерительные трансформаторы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  103

 Глава 8. Электрические машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106

8.1.
Машины постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  106
8.2.
Синхронные машины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  108
8.3.
Асинхронные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  112
8.4.
Классификация асинхронных двигателей  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  115
8.5.
Конструкции корпусов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  116
8.6.
Линейные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  117

 Глава 9. Выпрямители и преобразователи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119

9.1.
Выпрямители в «древности»  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  119
9.2.
Ртутные выпрямители  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  120
9.3.
Кремниевые диоды — век полупроводников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  121

Оглавление
7

9.4.
Однофазные выпрямительные схемы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  122
9.5.
Многофазные выпрямительные схемы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  124
9.6.
Коммутация  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  126

 Глава 10. Фазовое управление  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

10.1.  Тиристоры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  129
10.2.  Прямое падение напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  134
10.3. Применение тиристоров в качестве ключей на переменном токе  . . . . . . . . . . . . . .  135
10.4. Тиристорные пускатели электродвигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  138
10.5.  Тиристорные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  141
10.6. Получение отрицательного выходного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  144
10.7.  Схемы управления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  146
10.8.  Сигналы управления  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  149
10.9. Автотрансформатор с тиристорным переключателем отводов  . . . . . . . . . . . . . . . . .  149
10.10. Тиристорные схемы управления двигателями постоянного тока . . . . . . . . . . . . . .  151
10.11. Тиристорные схемы управления двигателями переменного тока . . . . . . . . . . . . . .  152
10.12. Циклоконвертеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  154

 Глава 11. Последовательное и параллельное соединение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

11.1. Последовательное включение тиристоров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  157
11.2. Параллельное включение тиристоров  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  162
11.3. Форсированная балансировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  164

 Глава 12. Импульсные режимы  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

12.1. Защитные приборы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  166
12.2. Трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  167
12.3. Тиристоры  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  169

 Глава 13. Импульсные преобразователи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

13.1. Широтноимпульсная модуляция  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  171
13.2. Преобразователи напряжения понижающего типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  175
13.3. Преобразователи напряжения повышающего типа  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  176
13.4. Преобразователи мостового типа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  178
13.5. Работа на высоких частотах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  180
13.6. Введение гармоник  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  181
13.7. Последовательные мосты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  182

 Глава 14. Коэффициент мощности и гармоники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183

14.1. Коэффициент мощности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  183
14.2. Гармоники  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  186
14.3. Преобразование Фурье . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  190
14.4. Взаимодействие гармоник с сетями электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  195
14.5. Коэффициент телефонных помех  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  200
14.6. Ограничения на гармоники потребляемого тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  201
14.7. Переключение при нулевом напряжении . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  202

Оглавление

 Глава 15. Тепловые процессы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203

15.1. Тепло и теплопередача . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  203
15.2. Воздушное охлаждение  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  205
15.3. Водяное охлаждение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  206
15.4. Охлаждение полупроводниковых приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  208
15.5. Монтаж полупроводниковых приборов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  213

 Глава 16. Применение силовой электроники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215

16.1. Схемы управления электродвигателями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  216
16.2. Стекольная промышленность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  218
16.3. Литейные заводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  218
16.4. Электрическая дуга и электродуговые печи  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  219
16.5. Источники питания для электрохимической промышленности  . . . . . . . . . . . . . . .  220
16.6. Циклоконвертеры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  221
16.7. Связь на сверхнизких частотах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  222
16.8. Аккумуляторы энергии на сверхпроводящих магнитах  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  222
16.9. Операционный усилитель на 600 кВт  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  223
16.10. Генераторы озона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  224
16.11. Полупроводниковая промышленность  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  224
16.12. Компенсаторы реактивной мощности  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  225
16.13. Управление индукционным нагревом  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  226
16.14. Токамаки  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  227
16.15. Переключатель большого числа отводов автотрансформатора . . . . . . . . . . . . . . . .  228

Приложение А. Уравнение для преобразователей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  229

Приложение Б. Моменты сил  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  231

Приложение В. Коммутационные провалы напряжения
и коэффициент нелинейных искажений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  233

Приложение Г. Нормирование параметров конденсаторов
для коррекции коэффициента мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  235

Приложение Д. Катушка Роговского. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  237

Приложение Е. Словарь иностранных слов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  239

Приложение Ж. Водные растворы гликоля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  240

Приложение З. Подавление гармоник методом сдвига фаз  . . . . . . . . . . . . . . . . . .  242

Приложение И. Токи в нулевом проводе при несинусоидальных нагрузках . . .  245

Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  247

Кит Сукер имеет более чем 50летний опыт работы в области разработки
и конструирования силового электронного оборудования, в том числе уникального назначения. Свою карьеру он начал в «Вестингауз Электрик Корпорэшион» (Westinghouse Electric Corporation) в 1950 г., где он выполнял
обязанности инженера по проектированию и производству магнитных усилителей. Затем он перешел в отделение полупроводниковых приборов, где
занимал ряд руководящих должностей. В период 1969 — 1993 гг. Кит работал в корпорации «Робикон» (Robicon) в должности инженераконсультанта и разрабатывал преобразователи напряжения для Массачусетского технологического института, компании «Дженерал Электрик» (General
Electric) и Военноморского флота. Кит всегда был наставником для сотрудников и очень востребованным консультантом в области силовой электроники. Кит является действующим старшим научным сотрудником IEEE и
имеет звание профессионального инженера штата Пенсильвания.

Об авторе

Я попытался написать о тех вещах, которым посвятил 50 лет моей жизни. Часть из этих годов я провел занимаясь магнитными усилителями и полупроводниковыми приборами в компании «Вестингауз» (Westinghouse),
а последние 30 лет я проработал в корпорации «Робикон» (сейчас — «АСИРобикон» — ASIRobicon). Я удостоился чести работать с некоторыми очень
талантливыми инженерами, и в этой книге использованы результаты их
труда (как, впрочем, и мои). Как руководитель группы силовой электроники в «Робиконе», я был счастливейшим человеком в мире. Моей задачей
было просто делать всякую всячину, которая бы работала и приносила доход компании. Все это както касалось силовых полупроводниковых приборов, хотя я больше склонялся в область пассивных фильтров для подавления гармоник в цепях среднего напряжения. Да, мы делали на них деньги. Другим аспектом моей работы было руководство несколькими очень
талантливыми инженерами. Их энтузиазм и трудолюбие доставляли мне
истинную радость. Мои благодарности адресованы Джуниору, Кену, Питу,
Бобу, Фрэнку, Джефу, еще одному Фрэнку, Джо, Марку, еще одному Джо,
Джину и еще Питу. Я считаю своим долгом поблагодарить за профессиональное сотрудничество Боба, Гарри, Дика и Пита. Я с удовольствием благодарю коллектив научнотехнического издательства, который помог создать эту книгу, и Дж. К. Эккерта (J. K. Eckert) с товарищами, которые выполнили редактирование и верстку.
В заключение я прошу прощения за ошибки и упущения и надеюсь, что
книга окажется полезной.

Благодарности

В период работы в корпорации «Робикон» мне довелось провести множество учебных лекций и курсов повышения квалификации по темам, касающимся трансформаторов, линий электропередачи, переходных электрических процессов, вопросов передачи тепла, полупроводниковых приборов и многого другого. Слушателями были инженеры и техники,
разработчики и конструкторы электротехнического оборудования, а также
специалисты по организации сбыта. Цель этих лекций и курсов — познакомить слушателей с силовой электроникой вообще и основами конструирования ее основных узлов в частности. Эти лекции и курсы были хорошо
приняты и высоко оценены. Материал был полезен для разработчиков, но
ни техники, ни специалисты по организации сбыта не говорили, что он
слишком заумный. Я также читал ряд лекций на национальных и местных
собраниях организации IEEE Industry Application Society. В книге собран
и обобщен этот материал.
Я определяю силовую электронику как область применения полупроводниковых приборов большой мощности в схемах управления электродвигателями, в источниках питания, в оборудовании для преобразования
электроэнергии, во вспомогательных линиях электроснабжения и многих
других приложениях. Объем представленного в этой книге материала не
больше того, чему учат в большинстве колледжей будущих инженеровэлектротехников, но он включает в себя большое количество полезной для
конструкторов и разработчиков информации. Эту книгу можно рассматривать и как справочник. В ней изложены некоторые соображения по
конструированию, которые неочевидны с первого взгляда, но помогут избежать тяжелого пути преодоления ошибок. В книге описано множество
вспомогательных устройств из области силовой электроники и приведен
ряд примеров возможных просчетов, подстерегающих разработчиков при
конструировании узлов и систем. Материал излагается в максимально
простой и доступной форме, с использованием минимума вычислений.

Предисловие

Предисловие

Я пытался рассказать всю правду и об основных, и о вспомогательных элементах, используемых в различных электросиловых системах.
Аудитория, которой адресована книга, — это инженеры и техники, разработчики и конструкторы, работающие в сфере силовой электроники.
Студенты, обучающиеся электротехнике, продвинутые студенты и инженеры, специализирующиеся в других областях, но интересующиеся вопросами силовой электроники, — все они найдут эту книгу понятной и полезной. Читатели оценят доходчивость изложения, свободного от профессионального жаргона и информации, понятной только посвященным или же
несущественной. Для наглядности используется множество простых рисунков, а также приведен ряд ярких примеров дорогостоящих ошибок
конструирования.
Будучи аспирантом, мне удалось заполучить копию справочного руководства фирмы «Вестингауз» по линиям передачи и распределения электроэнергии. В этой книге была изложена теория и практика вопросов генерации, передачи и распределения электроэнергии. И для меня, и для тысяч
других инженеров эта книга была бесценным справочником на все годы
работы в области конструирования электроустановок. Я надеюсь, что и
моя книга выполнит такую же службу в области силовой электроники.
Кит Сукер,
инженерконсультант,
Питтсбург, Пенсильвания

 
 
 
 

В век цифровых технологий электроэнергетика может показаться чемто очень древним. Но силовая электроника и энергетика в симбиозе проявляют значительный рост. Практически все системы, использующие силовую электронику, получают электроэнергию из электросети, а потребительские компании получают выгоды от использования силовой электроники в драйверах электродвигателей и преобразователях, применяемых,
например, в высоковольтных линиях электропередачи постоянного тока.
Именно в этих двух областях происходит постоянное развитие новых систем. По этой причине представляется целесообразным совершить обзор
истории развития электроэнергетики от ее зарождения до наших дней.

1.1.
Переменный ток «против» постоянного

Внимание! Переменный ток опасен. Он пригоден
только для электрического стула. Общего между переменным и постоянным токами лишь то, что они берут
начало из одинаковых куч угля.
Так Томас Эдисон (Thomas Edison) пытался бороться с быстрым ростом использования переменного тока, который конкурировал с его системами постоянного тока. Эдисон руководил строительством первой электрогенераторной установки постоянного тока на Пирлстрит, в НьюЙорке.
В ней предусматривалось включение и выключение генератора, а также
использование аккумуляторной батареи в периоды низкого потребления
электроэнергии. Напряжение составляло несколько сот вольт, а обслуживаемая территория ограничивалась падением напряжения на проводах.

 Глава 1
Глава 1

Электрическая энергия