Источники питания электротехнологических установок

А. М. Паршин
М. В. Первухин
В. Н. Тимофеев

Учебное пособие

Политехнический институт

исТочНики  ПиТАНия
элекТроТехНологических
усТАНоВок

рассмотрены источники питания для широкого класса электротехнологических 
установок, их основные схемы и системы 
управления. отражены вопросы согласования характеристик источников питания с характеристиками приемников.

9 785763 832921

ISBN 978-5-7638-3292-1

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
А. М. Паршин, М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев 
 
 
 
ИСТОЧНИКИ  ПИТАНИЯ  
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  
УСТАНОВОК 
 
 
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим 
центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для 
студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров (140400.62) «Электроэнергетика и электротехника»  
(от 1 июня 2015 г.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2015 

УДК 621.313(07) 
ББК 312я73 
        П181 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Паршин, А. М. 
П181  
Источники питания электротехнологических установок: учеб. 
пособие / А. М. Паршин, М. В. Первухин, В. Н. Тимофеев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2015. – 108 с. 
ISBN 978-5-7638-3292-1 
 
Рассмотрены источники питания для широкого класса электротехнологических установок, их основные схемы и системы управления. Отражены вопросы 
согласования характеристик источников питания с характеристиками приемников. 
Предназначено для бакалавров направления 140400.62 «Электроэнергетика и электротехника». 
 
 
   Электронный вариант издания см.: 
           http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 621.313(07) 
ББК 312я73
 
ISBN 978-5-7638-3292-1                                                              © Сибирский федеральный  
                                                                                                университет, 2015 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Электротехнология охватывает технологические процессы, основанные на использовании энергии электрического тока, электрического или 
магнитного поля, подводимой непосредственно к обрабатываемому объекту. Преобразование используемой энергии в тепловую, химическую или 
механическую энергию служит основой для осуществления необходимого 
метода обработки материалов. Электротехнологические процессы принято 
классифицировать как электротермические, электросварочные, электрофизические, электрохимические и механические. 
 

 
Рис. Классификация электротехнологических установок 
 
В классификации электротехнологических установок (ЭТУ) (см. рисунок) наиболее энергоемкими являются электротермические установки. 
Обширную группу среди них занимают электрические печи сопротивления, 
которые могут эксплуатироваться как на постоянном, так и переменном 
токе промышленной частоты, а их мощности варьируются в широких пределах. Существенный класс установок занимают дуговые печи. К ним относятся дуговые сталеплавильные печи (ДСП) и дуговые вакуумные печи 
(ДВП). Первые питаются переменным током с частотой 50 Гц, для питания 
вторых, как правило, используется постоянный ток. Мощности печей мо

гут составлять десятки киловатт и десятки мегаватт. Другую широкую 
группу в классификации ЭТУ занимают плазменные электротермические 
установки (ПЭТУ), работающие на постоянном токе до десятков тысяч ампер при повышенном напряжении, достигающем нескольких тысяч вольт. 
Особый вид ЭТУ представляют электромагнитные перемешиватели жидких металлов. Диапазон их рабочих частот находится в пределах низких 
частот 0,1–3 Гц, а мощности достигают 100 кВт и более.  
Достойное место среди ЭТУ занимают установки, в которых применяются токи средней частоты (1–100 кГц). К ним можно отнести устройства, предназначенные для нагрева и плавки металлов, а также установки для 
создания индукционной плазмы. В данных установках основная часть 
мощности приходится на индукционные плавильные печи и установки для 
нагрева под пластическую деформацию. Значительную часть установок 
средней частоты занимают электротехнологические устройства с использованием индукционного нагрева. К ним можно отнести установки под поверхностную закалку, высокочастотной пайки и сварки.  
Широкую область в классификации ЭТУ, связанных с использованием 
токов средней частоты, занимают установки для создания индукционной 
плазмы, установки с использованием тлеющего и коронного разряда,          
а также установки для получения особо чистых материалов с использованием ультразвуковой или электронно-лучевой обработки. Для ряда технологических процессов, например таких, как поверхностная закалка, пайка, 
сварка, зонная очистка, нагрев диэлектриков, сварка термопластичных материалов и др., требуется использование токов высокой частоты (до десятков 
мегагерц). Для их осуществления необходимо использование специальных 
высокочастотных генераторов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Г л а в а  1 

 
ОСНОВНЫЕ  СХЕМЫ   
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ 
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  
УСТАНОВОК 
 
 
В общем случае источник питания (рис. 1.1) включает в себя источник электроэнергии (ИЭ) и потребитель (П). Параметры ИЭ должны 
обеспечивать: 
● требуемую стабильность, т. е. точность поддержания выходного 
напряжения или тока при возмущающих воздействиях, таких как изменение температуры, влажности, давления, механических воздействий, изменение сопротивления нагрузки, напряжения первичного источника питания и др.; 
● возможность регулирования в заданных пределах выходного напряжения или тока; 
● минимальную пульсацию, т. е. минимальную амплитуду переменной составляющей выходного напряжения; уровень помех, удовлетворяющих требованиям электромагнитной совместимости ЭТУ; 
● высокую надежность. 
Параметры 
источников 
электропитания редко удовлетворяют изложенным требованиям. Поэтому между источником электроэнергии и потребителем, как правило, вводится 
специальное 
преобразующее 
устройство, получившее название 
источник 
вторичного 
электропитания (ИВП). Назначение ИВП состоит в передаче электроэнергии от ИЭ к П 
с минимальными потерями и  

Рис. 1.1. Структурная схема  
источника питания 

необходимым преобразованием количественных и качественных характеристик в условиях возмущающих воздействий. 
ИВП выполняет функции однократного или многократного преобразования рода тока (переменный в постоянный или наоборот), по изменению 
(трансформации), стабилизации и регулированию напряжения  или  тока,  

ИЭ
П
ИВП

Управляющие 
воздействия

Возмущающие воздействия

Рис. 1.2. Структурная схема стабилизированного выпрямителя 

ИЭ
П
С1
С2
Тр
В
Ф

СУ

ИВП

Рис. 1.3. Структурная схема преобразователя частоты 

ИЭ
П
С1
Ф
Тр
В
И

СУ

ИВП

f1
f1
f1
f2
f2

Рис. 1.4. Структурная схема импульсного преобразователя 

ИЭ
П
Тр
ПВЧ

СУ

ИВП

f1
f2

В

f1

ИП
Ф

f2

подавлению пульсаций и шумов выходного напряжения или тока (фильтрации). ИВП содержат также устройства защиты, блокировки и диагностики (сигнализации), что повышает их надежность и позволяет обнаруживать 
и устранять неисправности, возникающие в процессе эксплуатации ЭТУ.  
Чтобы удовлетворить требованиям широкого класса ЭТУ, их электрическим параметрам, представленным в приведенной классификации,         
в общем случае необходимы три схемы ИВП (рис. 1.2–1.4). В схеме на 
рис. 1.2 в качестве ИЭ может использоваться промышленная сеть. ИВП 
преобразует переменное напряжение в соответствующее постоянное необходимой величины, стабилизирует и регулирует выходное напряжение. 
Для стабилизации выходного напряжения при изменении напряжения ИЭ 
используется специальное устройство: стабилизатор переменного напряжения С1, включенный на входе ИВП. Выходное напряжение стабилизатора с помощью трансформатора Тр преобразуется по величине в постоянное выпрямителем В. Для сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя 
включен фильтр Ф. Для стабилизации выходного постоянного напряжения 
при изменении сопротивления и воздействия других возмущений служит 
стабилизатор постоянного напряжения С2. Для регулирования величины 
выходного напряжения, защиты ИЭ и диагностики применяется система 
управления СУ. Схема имеет название стабилизированный выпрямитель. 
В схеме на рис. 1.3 напряжение ИЭ с частотой f1 сглаживается стабилизатором переменного напряжения С1, понижается до нужной величины с помощью трансформатора Тр, переводится в постоянное с помощью 
выпрямителя В, а затем вновь преобразуется в переменное напряжение,          
но уже повышенной частоты f2. Данное преобразование осуществляется           
с помощью инвертора И. Пульсации переменного напряжения повышенной частоты сглаживаются фильтром Ф. Схема имеет название преобразователь частоты. 
В схеме на рис. 1.4 представлено трехступенчатое преобразование 
энергии. В качестве исходной формы энергии могут быть использованы 
механическая энергия и энергия промышленной частоты. После преобразования напряжения с помощью трансформатора Тр происходит преобразование частоты с помощью выпрямителя В и высокочастотного преобразователя ПВЧ. В дальнейшем с помощью импульсного преобразователя 
ИП энергия переводится в энергию импульсного тока, которая поставляется потребителю. Данное преобразование используется в ЭТУ, работающих 
в импульсном режиме. На практике используется также двухступенчатое  
и одноступенчатое преобразование энергии с использованием не всех 
структурных элементов, представленных на рис. 1.4. В качестве основных 
элементов представленных схем ИВП выделим трансформаторы, выпрямители и инверторы.  
 

1.1. Выпрямители 
 
Выпрямители для ЭТУ могут быть собраны как на неуправляемых 
вентилях – диодах, так и на управляемых вентилях – тиристорах. В установках сравнительно небольшой мощности используется трехфазная схема выпрямителя со средней точкой (рис. 1.5, а). Первичная и вторичная 
обмотки трансформатора в данной схеме могут быть соединены в звезду, 
однако лучше, если сетевые обмотки соединены в треугольник, а вентильные обмотки – в звезду. Такое соединение обеспечивает прохождение через схему бóльших токов по сравнению с соединением обеих обмоток           
в звезду, что важно для многих случаев эксплуатации ЭТУ. Появление потока вынужденного намагничивания, обусловленного несимметричным 
распределением тока в фазах, а следовательно, в обмотках трансформатора, можно устранить соединением вентильных обмоток в зигзаг. Однако 
при этом необходимо учитывать увеличение мощности трансформатора          
и дополнительных расходов материалов. 
Широкое распространение в ЭТУ небольшой мощности получила 
трехфазная мостовая схема выпрямителя (рис. 1.5, б). Из анализа и сравнения характеристик мостовой схемы и схемы выпрямителя со средней 
точкой установлено, что по типовой мощности трансформатора лучше 
мостовая схема. По гармоническому составу первичного тока и величине 
пульсаций выпрямленного напряжения обе схемы равноценны. 

 
Рис. 1.5. Трехфазные схемы выпрямителей: 
а – со средней точкой; б – мостовая 
 
С увеличением мощности на ЭТУ начинают существенно влиять 
значительные по амплитуде гармоники тока в сетевой обмотке трансфор
A
B
C

Д1
Д2
Д3

Zн

id

i1

а 

A
B
C

i1

Zн

Д1
Д2

Д3
Д4

Д6
Д5

i2

id

б

матора при малом эквивалентном числе фаз вентильной обмотки. Одним 
из способов устранения гармоник выпрямленного тока является установка 
реакторов в схему выпрямителя. При этом, как правило, требуется реактор 
внушительных размеров, что приводит к увеличению габаритов, массы          
и стоимости преобразовательного агрегата. Более эффективным способом 
устранения гармоник является увеличение числа фаз выпрямителя. В связи 
с этим в ИВП используется шестифазная схема выпрямителя с уравнительным реактором (рис. 1.6) для ЭТУ мощностью от 250 кВт до 4 МВт. 
Её применяют в преобразовательных агрегатах с относительно низким выпрямленным напряжением и большим током (например, в дуговых печах), поскольку ток нагрузки в данной схеме протекает через два вентиля параллельно.  
 

 
 
Параметры схемы весьма чувствительны к способу соединения первичной обмотки трансформатора, которая может быть соединена как              
в звезду, так и треугольник. В отличие от трехфазной со средней точкой 
(рис. 1.5, а) в ней поток вынужденного намагничивания меняет свое        
направление в стержнях через 1/6 часть периода, т. е. с тройной частотой 
сети. Поток индуцирует в обмотках трансформатора значительные ЭДС, 
увеличивая индуктивное падение напряжения и ухудшая работу источника 
питания. Поэтому схема выпрямителя звезда – шестифазная звезда на 
практике не применяется. При соединении обмоток трансформатора в треугольник большая часть потока вынужденного намагничивания компенсируется потоком, создаваемым током в замкнутом треугольнике сетевых 
обмоток. Однако это приводит к неэффективному использованию данных 
обмоток, так как ток в вентильных обмотках протекает только в течение 
1/6 периода, и вентилей, так как амплитудное значение тока через вентиль 
в 6 раз превышает среднее значение, а также искажению внешних характе
Рис. 1.6. Шестифазная схема выпрямителя с уравнительным реактором 

Д1
Д3
Д5

Zн

id

Д2
Д6
Д4

i2

A
B
C

i1

L

.
.
.

.
.
.