Устройства силовой электроники

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
А.В. РОДЫГИН 
 
 
 
 
УСТРОЙСТВА  
СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.314.5(075.8) 
Р 617 
 
 
Рецензенты: 
канд. тех. наук, доцент В.М. Кавешников 
канд. тех. наук, доцент Д.А. Павлюченко 
 
 
Работа подготовлена на кафедре электропривода и автоматизации 
промышленных установок для студентов всех форм обучения  
по направлениям 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 
15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств»  
 
 
 
Родыгин А.В. 
Р 617  
Устройства силовой электроники: учебное пособие / 
А.В. Родыгин. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 76 с. 

ISBN 978-5-7782-4129-9 

Пособие является второй частью курса «Силовая электроника». 
Рассмотрены принципы построения и расчета силовых преобразователей электрической энергии. Предназначено для студентов направлений 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», 15.03.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» всех форм 
обучения, а также может быть рекомендовано для студентов других 
технических направлений подготовки. 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.314.5(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-4129-9 
© Родыгин А.В., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение .................................................................................................................. 5 
1. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ ........................................................................ 7 
1.1. Однофазный АИН ........................................................................................ 8 
1.2. Трехфазный АИН ....................................................................................... 15 
1.3. Способы коммутации тиристоров АИ ..................................................... 21 
1.4. Однофазный АИТ ...................................................................................... 24 
1.5. Трехфазный АИТ ....................................................................................... 27 
1.6. Однофазный АИР ....................................................................................... 32 
2. ИМПУЛЬСНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НАПРЯЖЕНИЯ ............................ 37 
2.1. Импульсные преобразователи постоянного напряжения ....................... 37 
2.1.1. Однотактный ИППН .......................................................................... 38 
2.1.2. Многотактный ИППН ........................................................................ 39 
2.1.3. ИППН с параллельной коммутацией ................................................ 41 
2.1.4. Реверсивный ИППН ........................................................................... 43 
2.2. Импульсные преобразователи переменного напряжения ...................... 46 
2.2.1. Однофазный преобразователь переменного напряжения ............... 46 
2.2.2. Трехфазный преобразователь переменного напряжения ................ 48 
3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ................................................................. 50 
3.1. ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока ..................................... 50 
3.2. ПЧ с промежуточным звеном переменного тока .................................... 51 
3.3. Непосредственные преобразователи частоты ......................................... 52 
4. РАСЧЕТ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .................... 56 
4.1. Расчет и выбор силового оборудования................................................... 56 
4.1.1. Расчет и выбор силового согласующего устройства ....................... 56 

4.1.2. Расчет катодного дросселя ................................................................ 62 
4.1.3. Расчет и выбор тиристоров ................................................................ 64 
4.1.4. Защита силовой части преобразователя ........................................... 69 
4.2. Расчет внешних и регулировочных характеристик ................................ 71 
4.3. Расчет энергетических характеристик ..................................................... 73 
Библиографический список ................................................................................. 75 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Промышленная электроника рассматривает принципы построения 
электрических схем. Настоящее пособие является продолжением 
учебного пособия [1] и посвящено вопросам энергетической электроники, т.е. преобразованию одного вида электрической энергии в другой. 
Курс «Силовая электроника» базируется на ранее изученных студентами дисциплинах: «Высшая математика», «Теоретические основы 
электротехники», «Электронные и микропроцессорные устройства». 
Целью изучения настоящей дисциплины является формирование базовых знаний по принципам построения, назначению и функционированию различных преобразовательных устройств силовой электроники. 
Преобразовательные устройства являются важным компонентом энергетических и электромеханических систем. 
Анализ электромагнитных процессов в преобразователях электрического тока и изучение на этой основе методов расчета схем преобразователей – главное содержание курса. В результате изучения дисциплины студенты должны знать назначение и работу различных схем 
преобразователей. Следует уметь грамотно применять и эксплуатировать основные типы преобразовательных устройств; выбирать для заданного объекта типовую схему или разрабатывать на основе типовых 
схем требуемое устройство, обеспечивающее необходимое преобразование энергии; рассчитывать и выбирать элементы силовой части преобразователя для обеспечения нужных энергетических показателей. 
Кроме того, студенты должны иметь навыки использования стандартной терминологии, определений и обозначений приборов и устройств. 
Анализ электромагнитных процессов в преобразователях электрического тока и разработка на этой основе методов расчета схем преобразователей – главное содержание курса силовой электроники. 
В пособии рассмотрены: автономные инверторы, выполняющие 
преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока; 
преобразователи частоты, осуществляющие преобразование энергии 

переменного тока одной частоты в энергию переменного тока другой 
частоты; импульсные преобразователи напряжения, обеспечивающие 
преобразование переменного напряжения одной амплитуды в переменное напряжение другой, либо постоянного напряжения одной величины в постоянное напряжение другой величины. 
Преобразовательные устройства являются важным компонентом 
энергетических и электромеханических установок и систем. Специалисты различных технических направлений подготовки не могут 
устраниться от решения вопросов, связанных с силовой электроникой, 
поскольку необходимо четко формулировать задачу для разработчиков 
аппаратной и программной части, говорить с ними на одном языке; 
представлять, что может электроника, какой ценой и какими способами 
это достигается. Кроме того, требуется грамотная эксплуатация силовых электронных устройств, участие в монтаже и наладке электрооборудования. Проектирование установок требует знания особенностей 
работы преобразовательных устройств. 
Преимущество полупроводниковых преобразователей состоит в 
том, что они обладают высокими регулировочными характеристиками 
и хорошими энергетическими показателями (КПД), имеют малые массогабаритные показатели, просты и надежны в эксплуатации. При этом 
обеспечивается бесконтактная коммутация токов в силовых цепях, а 
также регулирование тока и напряжения. 
К недостаткам полупроводниковых преобразователей можно отнести неблагоприятное влияние на электрическое напряжение питающей 
сети из-за снижения коэффициента мощности и несинусоидальной 
формы потребляемого тока. Кроме того, требуется более высокая квалификация обслуживающего персонала. 
Практика показала неоспоримое преимущество полупроводниковых преобразователей перед другими устройствами. Схемные решения 
силовых полупроводниковых преобразователей быстро развивались и в 
настоящее время практически стабилизировались. Широко применяются запираемые тиристоры, симисторы, мощные транзисторы. 
В управляющих цепях используются микропроцессоры и оптоэлектрические элементы. Характеристики полупроводниковых приборов 
представлены в учебном пособии [2], поэтому здесь рассматриваться не 
будут. 
 

1. АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ 
 
Автономный инвертор (АИ) – это устройство, преобразующее постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и 
работающее на автономную нагрузку (не связанную с электропитающей сетью). 
АИ подразделяются на автономные инверторы напряжения (АИН), 
автономные инверторы тока (АИТ) и резонансные автономные инверторы (АИР). 
На входе АИН включен конденсатор с большой емкостью с целью 
поддержания входного напряжения на заданном уровне. Таким образом, источник энергии работает в качестве источника напряжения. Это 
обеспечивает постоянство напряжения в процессе работы АИН. 
В АИТ источник энергии работает в режиме источника тока за счет 
катушки с большой индуктивностью, включаемой во входную цепь. 
Источник тока обеспечивает неизменность входного тока при работе 
АИТ. Кроме того, параллельно нагрузке подключается конденсатор с 
большой емкостью, который участвует в формировании кривой выходного напряжения и обеспечивает принудительное запирание тиристоров. 
В АИР конденсатор может быть включен как последовательно, так и 
параллельно нагрузке. Характер протекающих процессов в главных 
цепях обусловлен колебательным процессом перезаряда конденсатора в 
цепи с источником питания и индуктивностью, специально введенной 
или имеющейся в нагрузке. 
АИТ и АИР, как правило, выполняются на однооперационных тиристорах. При построении АИН используются транзисторы. 

Основные области применения АИ 

1. Питание потребителей переменного тока в установках, где источником является аккумуляторная батарея: бортовые источники питания, аварийное питание и т. д. 

2. Электрический транспорт, электропривода с асинхронными и 
синхронными электродвигателями. 
3. Преобразователи постоянного напряжения из одной величины в 
другую. 
4. Устройства для получения переменного тока от источников 
прямого преобразования энергии: термо- и фотоэлектрические генераторы; топливные элементы; МГД-генераторы, которые вырабатывают 
энергию постоянного тока. 
5. В электротермии для получения переменного тока повышенной 
частоты (для плавки металла, нагрева, закалки). 

1.1. Однофазный АИН 

Источник питания работает в режиме источника ЭДС, что обеспечивает стабильность входного напряжения. При питании АИН от выпрямителя переменного тока на входе инвертора включают конденсатор большой емкости, шунтирующий источник питания по переменному току. Формирование кривой выходного напряжения осуществляется использованием соответствующего закона (алгоритма) управления 
силовыми ключами. 
 

 
Рис. 1. Однофазный АИН на тиристорах 

 

 
Рис. 2. Однофазный АИН на транзисторах 

Однофазные инверторы чаще всего выполняют по мостовой схеме. 
Схема реализации однофазного АИН на тиристорах изображена на 
рис. 1, а с использованием транзисторов – на рис. 2. Диоды VD5…VD8 
предназначены для пропускания тока активно-индуктивной нагрузки в 
интервалы времени, когда ток протекает в направлении, обратном 
проводимости тиристоров. Эти диоды называются диодами обратного, 
встречного или реактивного тока. Для простоты изложения цепи принудительной коммутации тиристоров рассматривать пока не будем, 
процессами в них пренебрежем, так как постоянная времени коммутации намного меньше периода выходного напряжения. 

Работа на активную нагрузку 

Рассмотрим работу схемы (см. рис. 2) при активной нагрузке. 
В первый полупериод на нагрузке формируется положительное 
напряжение за счет открытия транзисторов VT2, VT4. Амплитуда 
напряжения на нагрузке равна величине ЭДС источника энергии Е. Ток 
нагрузки протекает по цепи +E – VT2 – 
н
Z  – VT4 – –E. При активном 
характере нагрузки ток будет повторять форму напряжения. 
Отрицательное напряжение на нагрузке 
во второй полупериод формируется при 
запирании транзисторов VT2, VT4 и открывании транзисторов VT1, VT3 в момент 
времени T/2. Ток нагрузки протекает по 
цепи: +E – VT3 – 
н
Z  – VT1 – –E и повторяет 
форму выходного напряжения (рис. 3). Таким образом, в нагрузке за период повторения T формируется прямоугольное двуполярное напряжение с частотой f = 1/T и круговой частотой ω = 2πf. 
При разложении в ряд Фурье выходного напряжения имеем: 

н
4
1
1
1
(
)
sin(
)
sin(3
)
sin(5
)
...
sin(
)
3
5
E
U
t
t
t
t
n t
n














 

. 

Основная гармоника имеет вид: 
н(1)
1,27
sin
.
(
)
U
E
t


 Действующее 

значение первой гармоники определится как 


н(1)
4
2
0,9 .
U
Е
Е



 

Из разложения в ряд Фурье видно, что третья гармоника составляет 
33,3 %; пятая – 20 %; седьмая – 14,3 % от основной гармоники. 

 
Рис. 3. Временные диаграммы АИН при актив- 
       ной нагрузке 

Для выделения в нагрузке первой гармоники выходное напряжение 
АИН может подвергаться фильтрации. 

Работа на активно-индуктивную нагрузку 

При работе на активно-индуктивную нагрузку выходной ток будет 
изменяться по экспоненциальному закону с постоянной времени 

н
н
/
.
L
R
 
 При запирании транзисторов VT2, VT4 в момент времени 2 
(рис. 4), несмотря на подачу отпирающих сигналов на транзисторы VT1, 
VT3, ток нагрузки из-за индуктивного характера нагрузки стремится 
сохранить свое направление под воздействием ЭДС самоиндукции 
le  в 
нагрузке. Поэтому на интервале (2,3) ток будет протекать через диоды 
VD5, VD7 по цепи 
le

 – VD7 – C – VD5 – 
.le

 При этом часть энергии 
индуктивности возвращается обратно в источник питания, подзаряжая 
конденсатор C. 
В момент времени 3 ток нагрузки спадает до нуля, вследствие того 
что ЭДС самоиндукции становится меньше напряжения источника 
питания. После момента времени 3 до момента времени 0 ток нагрузки 
протекает в обратном направлении через транзисторы VT1, VT3 по той 
же цепи, что и при активной нагрузке. 
 

 
Рис. 4. Временные диаграммы АИН  
при RL-нагрузке 

Аналогично процессам на интервале (2,3) на интервале (0,1) ток 
протекает через диоды VD6, VD8 по цепи 
le

 – VD6 – C – VD8 – 
.le

 

В момент времени 1, вследствие того что ЭДС самоиндукции становится меньше напряжения источника питания, ток нагрузки спадает до 
нуля. После момента времени 1 до момента времени 2 ток нагрузки 
протекает в прямом направлении через транзисторы VT2, VT4 по той же 
цепи, что и при активной нагрузке. Временные диаграммы анодных 
токов силовых ключей представлены на рис. 4. 
Выходное напряжение АИН из-за малой длительности процесса 
коммутации (около 200 мкс) по форме близко к прямоугольному и не 
зависит от тока нагрузки. В результате внешняя характеристика АИН – 
прямая с малым наклоном. Выходной ток АИН при наличии в нагрузке 
индуктивности становится знакопеременным, т. е. происходит постоянный обмен энергией между нагрузкой и источником ЭДС. 

Регулирование выходного напряжения 

Для регулирования частоты напряжения в нагрузке изменяют период формирования управляющих сигналов на силовые ключи. 
Для регулирования амплитуды выходного напряжения изменяют 
величину напряжения источника, поскольку 
н(1)
1,27
sin
.
(
)
U
E
t


 Другой способ заключается в изменении алгоритма управления тиристорами. В этом случае используется либо ШИР, либо ШИМ. 
При широтно-импульсном регулировании (ШИР) за период выходного напряжения формируется N импульсов с одинаковой длительностью . Например, на рис. 5 
изображено формирование выходного 
напряжения N = 8,  = π/8. Разложение кривой выходного напряжения в 
ряд Фурье позволит определить амплитуду основной гармоники 
н
U  для 
конкретной длительности . Для регулирования амплитуды выходного 
напряжения изменяют длительность 
всех импульсов от 0 до 2π/N. При нулевой длительности импульсов (т. е. их отсутствии) напряжение на 
нагрузке будет равно нулю, а при длительности импульсов, равной 
2π/N, в нагрузке будет формироваться максимальное напряжение 

н(1)
1,27
sin
.
(
)
U
E
t


 
 

 
Рис. 5. Временные диаграммы  
при ШИР 

При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) формируются импульсы разной ширины, длительность каждого импульса зависит от 
требуемой величины мгновенного значения напряжения. 
На рис. 6 показано формирование однополярной импульсной последовательности при широтно-импульсной модуляции с N = 10. 
В  первый полупериод при открывании полупроводниковых ключей  VT2, VT4 формируются положительные импульсы выходного 
напряжения. Ток нагрузки протекает по цепи +E – VT2 – 
н
Z  – VT4 – –E. 
Формирование «пауз», т. е. нулевых значений напряжения на нагрузке, 
происходит при запирании одного из этих ключей. Например, если 
закрыть ключ VT4, оставив открытым ключ VT2, то ток нагрузки продолжит протекать по цепи 
le

 – VD7 – VT2 – 
.le

 Если закрыть 
ключ VT2, оставив открытым ключ VT4, то ток нагрузки продолжит 
протекать по цепи 
le

 – VT4 – VD5 – 
.le

 
Во второй полупериод при открывании полупроводниковых ключей 
VT1, VT3 формируются отрицательные импульсы выходного напряжения. Ток нагрузки протекает по цепи +E – VT3 – 
н
Z  – VT1 – –E. 
Формирование «пауз», т. е. нулевых значений напряжения на нагрузке, 
происходит при запирании одного из этих ключей. Например, если 
закрыть ключ VT3, оставив открытым ключ VT1, то ток нагрузки продолжит протекать по цепи 
le

 – VT1 – VD8 – 
.le

 Если закрыть ключ 
VT1, оставив открытым ключ VT3, то ток нагрузки продолжит протекать 
по цепи 
le

 – VD6 – VT3 – 
.le

 
Предлагаем читателям с помощью изученных ранее методов математического анализа самим оценить гармонический спектр полученного напряжения (рис. 6) и выделить основную гармонику. 
 

 
Рис. 6. Временные диаграммы при одно- 
полярной ШИМ