Основы силовой электроники

Министерство образования и науки Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
Г.С. ЗИНОВЬЕВ, А.С. ОКОЛОВИЧ 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ СИЛОВОЙ  
ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
Учебно-методическое пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2018 

 

УДК 621.314.2(075.8) 
         З-635 
 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор Манусов В.З. 
д-р техн. наук, профессор Сапсалев А.В. 
 
Зиновьев Г.С. 
З-635   
Основы силовой электроники: учебно-методическое пособие / Г.С. Зиновьев, А.С. Околович. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2018. – 39 с. 

ISBN 978-5-7782-3579-3 

Данное учебно-методическое пособие по расчетно-графическому 
заданию является новой версией пособия, взамен ранее изданных 
нами, по дисциплине «Основы силовой электроники» и охватывает 
все основные этапы электротехнического проектирования электронного конвертора электрической энергии на примере проектирования 
тиристорного выпрямителя, включая формализованную методику выбора силовой схемы (этап структурного синтеза), расчет параметров 
элементов схемы (этап параметрического синтеза), расчет основных 
характеристик выпрямителя, определение структуры системы управления, оценку удельных технико-экономических показателей выпрямителя. Приведены краткие справочные данные по элементам силовой схемы для их выбора по результатам расчета. 
 
 
Работа подготовлена на кафедре ЭЭ и утверждена  
Редакционно-издательским советом университета в качестве  
учебно-методического пособия по расчетно-графическому заданию 
для студентов III курса РЭФ (направление 11.03.04  «Электроника  
и наноэлектроника», профиль – Промышленная электроника) 
 
УДК 621.314.2(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3579-3  
 
 
 
 
© Зиновьев Г.С., Околович А.С., 2018 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2018 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

 

Введение ................................................................................................................... 4 

1. Задание на проектирование ................................................................................. 5 

2. Выбор и обоснование схемы ............................................................................... 6 

3. Электрический расчет и выбор элементов схемы ............................................. 9 

   3.1. Расчет схемы при идеальных элементах ...................................................... 9 

   3.2. Расчет выпрямителя с реальными элементами ......................................... 12 

4. Расчет характеристик  выпрямителя ................................................................ 17 

5. Блок-схема системы управления (СУ) ............................................................. 22 

6. Массогабаритные показатели  и стоимость выпрямителя ............................. 24 

7. Моделирование в PSIM. .................................................................................... 26 

Выводы ................................................................................................................... 29 

Используемая литература ..................................................................................... 30 

Приложения ............................................................................................................ 31 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Данное пособие призвано заменить давно изданные наши методические пособия [В1, В2], уже не соответствующие сегодняшним требованиям учебного проектирования базовых устройств силовой электроники. В нашем учебнике [В3] есть сокращенный пример проектирования тиристорного выпрямителя, с расчетом основных энергетических 
показателей, но без расчета их зависимостей от параметров схемы. 
Кроме того, там нет структуры системы управления, расчета удельных 
технико-экономических показателей выпрямителя, справочных данных 
по элементам силовой схемы. Все это появилось в данном пособии. 
В то же время выполнение РГЗ по курсу «Основы силовой электроники» в начале третьего курса не позволяет включить в него 
остальные разделы системного проектирования выпрямителя: конструкцию устройства и ее тепловой расчет, расчет показателей электромагнитной совместимости, показателей надежности и его срока 
службы, расчет стоимости устройства, составление руководства по 
эксплуатации. Учебные материалы для этих разделов проектирования 
появятся только на старших курсах. 
 
 
В1. Зиновьев Г.С. Основы преобразовательной техники: В 4 ч. Ч. 4: 
Опыт системного подхода к проектированию вентильных преобразователей. – Новосибирск: НЭТИ, 1980. – 115 с. 
В2. Попов В.И. Преобразовательная техника: Метод. пособие по 
курсовому проектированию. – Новосибирск: НЭТИ, 1980. – 35 с. 
В3. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. – Новосибирск: 
Изд-во НГТУ, 2-е изд., 2002. – 664 с. 
 
 
 
 
 

 

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ 

1. Выбрать схему выпрямителя согласно исходным данным и построить временные диаграммы. 
2. Сделать расчет элементов схемы и по справочникам выбрать тиристоры, трансформатор и сглаживающий реактор. 
3. Выполнить расчет и построить следующие характеристики схемы 
3.1. Внешняя характеристика. 
3.2. Регулировочная характеристика. 
3.3. Характеристика КПД. 
3.4. Характеристика коэффициента мощности. 
4. Определить структуру системы управления и нарисовать ее 
блок-схему. 
5. Создать модель исследуемой схемы в PSIM и сравнить результаты моделирования с расчетами. 
6. Рассчитать вес, габариты и стоимость спроектированного преобразователя. 
7. Сделать выводы. 

Заданные параметры 

н
d
U
, B 
н
dI
, A 
D 
г
н
Id
K
, % 
0
d
P
, кВт 

600 
100 
5 
5 
60 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

2. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМЫ 

Схему выбираем согласно блок-схеме. 

 
Рис. 1. Алгоритм выбора схемы 

Исходя из трех заданных параметров 
н
d
U
 = 600 В, 
н
dI
 = 100 А,  

0
d
P
= 60 кВт, для проектирования необходимо в соответствии с алгоритмом (рис. 1) выбрать (путь выбора показан черными стрелками) 
двухполупериодную мостовую схему выпрямления 
1
2
3
m
m


, q = 2 
(рис. 2). 

 

Рис. 2 

Данная схема выпрямления характеризуется: 
1) наилучшим использованием установленной мощности трансформатора среди всех классических схем выпрямления; 
2) в два раза лучшим использованием вентилей по обратному 
напряжению, чем в однополупериодных схемах выпрямления трехфазного тока; 
3) меньшей амплитудой и более высокой частотой пульсаций выпрямленного напряжения; 
4) отсутствием вредного вынужденного намагничивания магнитопровода трансформатора, так как ток во вторичной обмотке протекает 
дважды за период, причем в противоположных направлениях. 
Основные недостатки данной схемы – увеличенные потери в вентилях (возрастают в 2 раза), так как выпрямленный ток протекает через 
два последовательно включенных вентиля и увеличенные потери 

выпрямленного напряжения (возрастают в 2 раза, по сравнению с другими однополупериодными схемами выпрямления трехфазного тока). 

 
Рис. 3. Временные диаграммы токов и напряжений при α = π/6 

Временные диаграммы напряжений и токов элементов схемы показаны на рис. 3. 

 

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ  
И ВЫБОР ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ 

3.1. РАСЧЕТ СХЕМЫ ПРИ ИДЕАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ 

1. Определим связь среднего значения выпрямленного напряжения 

с действующим значением вторичного напряжения 
0
2
3 6
,
π
d
U
U

от
куда действующее значение вторичного напряжения 

0
2
0
π
600
 
256,41 (В)
2,34
2,34
3 6

d
d
U
U
U




. 

Коэффициент трансформации входного трансформатора 

1
T
2

220
0,86.
256,41
U
K
U



 

2. Среднее значение анодного тока вентиля 

н
a
100
33,33 (А)
3
3

dI
I 


. 

3. Действующее значение анодного тока вентиля 

н
ад
1 00
57,7 (А)
3
3

dI
I



. 

4. Максимальное значение анодного тока вентиля 

max
н
100 (А) 
a
d
I
I


. 

5. Максимальное значение обратного напряжения вентиля 

max
2
0
0
π
π
3 2
6
1,045 600
628 (В)
3
3 6
b
d
d
U
U
U
U






. 

По рассчитанному значению среднего анодного тока вентиля необходимо выбрать тип и класс тиристоров. Это тиристор типа Т9-100 со 
следующими параметрами: 

ΔU0, В 
Rдин, мкОм 
М, кг 
a, мм 
b, мм 
l, мм 

1,3 
2000 
1,6 
150 
104 
169 

Класс вентиля по напряжению определяется по величине обратного 
допустимого напряжения на вентиле с коэффициентом запаса по 
напряжению 1,5…2 (т. е. с учетом возможных импульсных перенапряжений внутри выпрямителя и в сети). Таким образом, это будет тиристор 10-го класса. 
6. Действующее значение вторичного тока трансформатора 

2
2

3
 
d
I
I

 
= 100
2

3
= 82,3 (А). 

7. Действующее значение первичного тока трансформатора 

2
1н
T
T

2
3

dI
I
I
K
K


=
2 100

3 0,86  
=  94,8 (А). 

8. Типовая мощность трансформатора: 

Т
2
2 2
0
 60 000
π
3,14
1
3
 
3
3
d
S
S
S
U I
P





 62 800 ВА = 62,8 (кВА). 

По результатам расчета 
Т
S  необходимо выбрать трансформатор 
большей ближайшей мощности. Это трансформатор ТСП-100 с параметрами: 

Sном, кВА 
∆PКЗ, Вт 
∆Pхх 
М, кг 
V, дм3 

93 
2300 
400 
405 
238,221 

Типовая мощность для рассчитанного трансформатора и типовая 
мощность выбранного трансформатора не совпадают. Необходимо 
сделать пересчет параметров выбранного трансформатора, чтобы свести его параметры к требуемой типовой мощности, исключив при этом 
переплату за более мощный трансформатор: 

Т

ном

62,8 кВА
0,68.
93 кВА
S
K
S



 
Учитывая данный коэффициент, сделаем пересчет массогабаритных параметров трансформатора: 

М = 0,68 ꞏ 405 = 275,4 кг, 

V = 0,68 ꞏ 238,221 = 161,9 
3
дм .  

Расчет сглаживающего реактора 
Теперь необходимо рассчитать сглаживающий реактор с индуктивностью 
d
L . Расчет делается для наихудшего по качеству выпрямленного тока режима с максимально возможным углом регулирования 
max
α
. 
Этот угол появляется при работе выпрямителя с максимальным 
напряжением в сети и его можно определить из регулировочной характеристики выпрямителя: 

н
α
0
0
max
cosα,  
cosα
Δ
, 
d
d
d
d
U
U
U
U
U
D



 

где ΔU  – потери на коммутацию. 

min
0
0
1
2
дин
ф

2

Δ
2π
a
d
d
d
X
U
U
q U
I
qR
qR
qR
R

qm

























 



3
0,16
600
2 1,3 100
2
0,059
646,9 (В)
0,11 2 10
6,28
6







 






 





 

при α
0, cos α
1

 .