Основы силовой электроники

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ОСНОВЫ  
СИЛОВОЙ  
ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

 

УДК 621.314.5 (075.8) 
         О-753 

Коллектив авторов: 

В.И. Попов, Е.Д. Баранов, А.В. Удовиченко, 
А.Г. Волков, М.А. Дыбко, А.Н. Решетников 

Рецензенты: 

д-р техн. наук, профессор Г.М. Симаков 
д-р техн. наук, профессор И.А. Баховцев 
 
Работа выполнена на кафедре электроники и электротехники  
и утверждена Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебно-методического пособия для бакалавров  
IV курса РЭФ, направление 11.03.04 «Электроника 
и наноэлектроника», профиль «Промышленная электроника» 
 
О-753   
Основы силовой электроники: учебно-методическое пособие / Коллектив авторов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ,  
2019. – 92 с. 

      ISBN 978-5-7782-3943-2 

Настоящее учебно-методическое пособие охватывает полный цикл 
практических работ, выполняемых студентами IV курса по «Основам 
силовой электроники». В пособии содержится описание аппаратного 
комплекса, включающего разного рода типы преобразователей и 
нагрузок. Студенты выполнят работы по мостовому инвертору тока, 
однофазному и трехфазному инвертору напряжения. Приводятся порядок выполнения экспериментов и необходимые формулы для обработки результатов. Кроме того студенты ознакомятся теоретически с 
матричными преобразователями частоты. 
Предназначено для студентов IV курса факультета РЭФ дневного 
отделения, направление 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», 
профиль «Промышленная электроника». 
 
УДК 621.314.5 (075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3943-2  
 
 
 
 
 
© Коллектив авторов, 2019 
© Новосибирский государственный 
    технический университет, 2019 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Настоящая работа является пособием ко второй части курса «Основы силовой электроники», в котором рассматриваются базовые автономные преобразователи – инверторы тока и напряжения. В рамках 
курса студенты знакомятся с устройством и алгоритмами управления 
преобразователей, изучают особенности работы схем, выполняют практические и теоретические задания. В пособии основное внимание уделяется решению задач по расчету и анализу параметров схем, определению зависимости основных характеристик от значений варьируемых 
параметров элементов и управления. Практические работы проводятся 
на специализированных многофункциональных стендах «Силовая электроника», позволяющих выполнить достаточно обширную программу 
исследования в рамках одного практикума. Для закрепления материала 
в конце каждого раздела приведены вопросы для самоподготовки, 
а также дан список литературы в конце пособия. 
Для выполнения практических работ студенту необходимо: 
1) защитить предыдущую практическую работу (общий отчет на 
бригаду при коллективной защите или отдельный отчет при индивидуальной защите); 
2) освоить теоретический материал к предстоящей работе, проверив 
степень своей готовности по контрольным вопросам к практической работе; 
3) предварительно рассчитать требуемые параметры схем, которые 
предстоит исследовать; 
4) знать методику проведения предстоящего исследования; 
5) пройти собеседование с преподавателем и получить допуск к работе. 
В процессе выполнения практической работы необходимо освоить 
следующие положения: 
– исследуемая схема преобразователя; 

– временны´ е диаграммы характерных токов и напряжений исследуемой схемы; 
– таблица с численными данными снимаемых зависимостей; 
– графики зависимостей. 
В отчет по работе следует включить титульный лист, методику и результаты расчета требуемых по программе параметров, эпюры основных отснятых сигналов, а также выводы по работе с анализом полученных результатов. 
В течение цикла занятий студент выполняет четыре практические 
работы. 
В первой практической работе студенты знакомятся с параллельным 
и последовательно-параллельным инверторами тока по однофазным мостовым схемам. Практическое исследование предполагает изучение 
схемы параллельного инвертора тока с изменением параметров 
нагрузки и системы управления. 
Во второй работе исследуются способы регулирования выходным 
напряжением мостового параллельного инвертора тока с индуктивным 
регулятором. 
В третьей – рассматривается однофазный мостовой инвертор напряжения в режиме прямоугольной и синусоидальной ШИМ. Производится 
анализ спектрального состава выходного напряжения, изучение внешней и регулировочной характеристик. 
В четвертой – рассматривается трехфазный мостовой инвертор 
напряжения с управлением по методу классической и векторной ШИМ. 
Проводится сопоставительный анализ содержания низших гармоник в 
спектре выходного напряжения, исследуется внешняя и частотная характеристики. 
Расчеты базовых схем автономных преобразователей, приведенные 
в пособии, могут быть использованы и при выполнении расчетной курсовой работы по проектированию преобразователя, которую студенты 
выполняют в том же семестре, что и практические работы. 
Аппаратная часть комплекса выполнена по модульному принципу, 
каждый блок которого является отдельным элементом схемы, например, источники питания, нагрузки, измерительные приборы, анализатор 
данных фирмы National Instruments и др. 
Список и описание используемых модулей в практических работах 
приведены в табл. В1 и В2. 

Технические данные аппаратной части 
Питание ......................................... 380 В (три фазы с нейтралью) 
Потребляемая мощность .......................................... < 1000 В ⸱ А 

Габариты ................................................... 2750 × 900 × 1600
3
 мм  
Масса .................................................................................. < 250 кг 

Т а б л и ц а  В1 

Перечень модулей 

Номер 
модуля 

Номер практической работы 

Номер 1 
Номер 2 
Номер 3 
Номер 4 

Эксперимент 
Эксперимент 
Эксперимент 

3 
4 
5 
2.1 
2.2 
2.3 
2.1 
2.2 
2.3 

100.3 
 
 
 
 
 
 
 
1 
1 
1 

100.4 
 
 
 
 
 
 
 
1 
1 
1 

216 
1 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 

218 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

304 
 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 

318.1 
 
 
 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

330 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

331 
 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 

342 
1 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 

346 
 
 
 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

348 
1 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 

351 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
 
 
 

352 
2 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
 
 
 

353 
1 
1 
1 
1 
 
 
 
 
 
 

372 
 
 
 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

372.2 
 
 
 
 
 
 
 
1 
1 
1 

402.3 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

506.2 
 
 
 
 
 
 
 
1 
1 
1 

509.2 
1 
1 
1 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

527 
 
 
 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

528 
 
 
 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

550 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

ОСУ20 
 
 
 
 
1 
1 
1 
1 
1 
1 

Т а б л и ц а  В2 

Описание модулей 

Номер 
модуля 
Наименование 
Параметры 

100.3 Электромашинный агрегат 
Обмотки асинхронного 
двигателя используются 
в качестве активно-индуктивной статической 
нагрузки 
Включает асинхронный 
двигатель и энкодер 

100.4 Электромашинный агрегат 
 

216 
Источник питания 
Служит для питания постоянным током 
автономного инвертора тока или резонансного инвертора 

–0…30 В / 2 А 

218 
Однофазный источник питания 
Служит для питания потребителей однофазным током промышленной частотой 50 Гц на напряжение 220 В и обеспечивает их защиту от сверхтоков и нарушения изоляции 

~220 В / 16 А 
Ток срабатывания УЗО 
(устройство с функцией 
защитного отключения) 
не более 30 мA 

304 
Терминал 
Предназначен для обеспечения удобного 
доступа к входам / выходам управления 
функциональных блоков 

Шесть розеток 
с восьмью контактами; 
6 × 8 гнезд 

318.1 Регулируемый автотрансформатор 
Предназначен для получения регулируемого однофазного напряжения 

220 / 0…240 В; 2 А 

330 
Коннектор 
Предназначен для обеспечения удобного 
доступа к входам / выходам платы 
ввода/вывода PCI 6024E (PCI 6023E) персонального компьютера 

Восемь аналоговых дифференциальных входов 
Два аналоговых выхода 
Восемь цифровых входов/выходов 

П р о д о л ж е н и е  т а б л .  В2 

Номер 
модуля 
Наименование 
Параметры 

331 
Блок ввода/вывода цифровых сигналов 
Предназначен для ввода сигналов типа 
«сухой контакт» и вывода сигналов через 
контакты промежуточного реле 

Восемь входов типа «сухой контакт»; восемь релейных выходов 

342 
Блок дросселей 
Предназначен для моделирования индуктивности. Регулируется ступенчато вручную 

2 × 3 Гн / 0,5 А 

346 
Многофункциональный транзисторный преобразователь МТП1 
Предназначен для работы в режимах: 
– трехфазного автономного инвертора 
напряжения; 
– однофазного автономного инвертора; 
– реверсивного преобразователя постоянного напряжения с дополнительным сигналом ШИМ регулирования тока возбуждения 

Вход: одна фаза 
240 В / 2 А ~ 
Выход: три фазы 
0…220 В / 2 А ~ 

348 
Автономный тиристорный преобразователь 
Вход: –30 В 
Выход: ~30 В / 1 А / 
20…100 Гц 

351 
Нагрузочный резистор 
Выполняет роль активной нагрузки автономного инвертора тока (резонансного 
инвертора) 
Предназначен для работы в качестве 
нагрузки при работе МТП1 на статическую нагрузку 

P = 0…20 Вт / 50 В 
R = 20…300 Ом 
10 положений 

352 
Дроссель 
Выполняет роль индуктивной нагрузки 
автономного инвертора тока (резонансного инвертора) 

0.025…1 Гн / 1 А 

П р о д о л ж е н и е  т а б л .  В2 

Номер 
модуля 
Наименование 
Параметры 

 
Предназначен для работы в качестве 
нагрузки при работе МТП1 на статическую нагрузку 

 

353 
Блок коммутирующих конденсаторов 
Два комплекта  
от 2 × 0…40 мкФ /  
/ ~100 В 

372 
Однофазный трансформатор 
Обеспечивает потенциальную развязку  
от сети при работе на статическую нагрузку 

S = 120 В ꞏ А 
Вход: 220 В ~ 
Выход: 24 В ~ 

372.2 Однофазный трансформатор 
Обеспечивает потенциальную развязку  
от сети при работе на статическую 
нагрузку 

S = 120 ВА 
Вход: 220 В ~ 
Выход: 220 В ~ 

402.3 Блок датчиков тока и напряжения 
Предназначен для получения нормированных гальванически не связанных 
с сетью сигналов, пропорциональных  
токам и напряжениям. 

Три измерительных преобразователя «ток–
напряжение» 
5 А / 1 А / 5 В 
Три измерительных преобразователя «напряжение–напряжение» 
1000 В / 100 В / 5 В 

506.2 Указатель частоты вращения 
Предназначен для отображения частоты 
вращения электрических машин в аналоговой форме. Имеет выходные гнезда 
для подключения к ПК 

2000…0…2000 
1
мин  

509.2 Блок мультиметров 
Предназначен для измерения токов,  
напряжений, активного сопротивления. 
В состав блока входят два цифровых 
мультиметра с жидкокристаллическим 
дисплеем 

0…1000 В DC/AC 
0…10 А DC/AC 
0…20 МОм 

О к о н ч а н и е  т а б л .  В2 

Номер 
модуля 
Наименование 
Параметры 

527 
Блок вольтметров 
Предназначен для измерения постоянных 
и переменных напряжений с ШИМ модуляцией 

Вольтметр переменного 
напряжения  
U = 30 В ~ 
Вольтметр постоянного 
напряжения  
U = + 30 В 

528 
Блок амперметров 
Предназначен для измерения постоянных 
и переменных токов с ШИМ модуляцией 

Амперметр перемен- 
ного напряжения  
I = 1 А ~ 
Амперметр постоян- 
ного напряжения 
I = +1 А 

550 
Персональный компьютер 
Предназначен для сбора, обработки и 
отображения данных режима работы комплекса, а также для автоматизированного 
управления последним 

IBM-совместимый 
Windows 9*, 
плата PCI 6024E 

ОСУ20 Двухканальный осциллограф 
Предназначен для регистрации выходного 
напряжения и сигнала с выхода датчика 
тока 

 

 

Подготовка и проведение измерений  
с помощью мультиметра (509.2) 

Данные требования актуальны как для измерений токов и напряжений, так и (некоторые из них) для измерений сопротивлений, величин 
реактивных элементов и полупроводниковых приборов (рис. В1–В3). 
1. Выбор типа сигнала (AC~/DC=). 
2. Выбор диапазона измерений в соответствии с ожидаемыми результатами. 
3. Правильность подключения к измеряемой цепи. 

Рис. В1. Измерение напряжений (в параллель к цепи) 

 
Рис. В2. Измерение тока 
 (последовательно с цепью) 

 
Рис. В3. Измерение сопротивлений (параллельно к цепи,  
предварительно обесточив) 

Подготовка и проведение измерений  
с помощью осциллографа (ОСУ20) 

Для снятия осциллограмм напряжения и осциллограмм, пропорциональных величине тока, используется двухканальный осциллограф. 
Один канал используется для измерения величины напряжения. Измерение производится с использованием шнура ПД.002 с переключаемым