Силовая электроника: Силовые полупроводниковые преобразователи для электропривода и электроснабжения

СИЛОВАЯ 

ЭЛЕКТРОНИКА

СИЛОВЫЕ 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ 

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 

ДЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА 
И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Г. Б. ОНИЩЕНКО, О. М. СОСНИН

Москва

ИНФРА-М

2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Рекомендовано 

в качестве учебного пособия для бакалавров и магистров, 

обучающихся по направлениям 

13.03.02 и 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»

УДК 621.38(075.8)
ББК 32.85я73
 
О58

Онищенко Г. Б.

Силовая электроника. Силовые полупроводниковые преобра
зователи для электропривода и электроснабжения : учеб. пособие / 
Г. Б. Онищенко, О. М. Соснин. — М. : ИНФРА-М, 2020. — 122 с. + Доп. 
материалы [Электронный ресурс; Режим доступа: http://www.znanium.
com]. — (Высшее образование: Бакалавриат). 

ISBN 978-5-16-011120-9 (print)
ISBN 978-5-16-103201-5 (online)
В учебном пособии излагаются основы силовой промышленной элек
троники. Рассмотрены основные виды современных силовых полупроводниковых приборов: диоды, транзисторы, тиристоры. Изложены принципы 
построения основных видов силовых полупроводниковых преобразователей — управляемых выпрямителей, регуляторов напряжения, преобразователей частоты, фильтрокомпенсирующих устройств. Основное внимание 
уделено использованию полупроводниковых преобразователей в технике 
электропривода и в системах электроснабжения.

Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заве
дений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 13.03.02 и 
магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».

УДК 621.38(075.8)

ББК 32.85я73

О58

ISBN 978-5-16-011120-9 (print)
ISBN 978-5-16-103201-5 (online)

Материалы, отмеченные знаком 
, 

доступны в электронно-библиотечной системе Znanium.com

© Онищенко Г. Б., Соснин О. М., 

2016

А в т о р ы:

Георгий Борисович Онищенко, д-р техн. наук, профессор Московского 

государственного университета машиностроения;

Олег Михайлович Соснин, канд. техн. наук, доцент Московского госу
дарственного университета машиностроения

Р е ц е н з е н т ы:

И.В. Гуляев, д-р техн. наук, профессор;
В.Г. Титов, д-р техн. наук, профессор

Предисловие

Силовая электроника — это учебная дисциплина, изучающая 
характеристики силовых полупроводниковых приборов и принцип 
построения преобразователей электрической энергии на их основе. 
В данном учебном пособии эти вопросы рассматриваются применительно к задачам электроснабжения и автоматизированного электропривода, что соответствует двум профилям подготовки указанного 
направления — «Системы электроснабжения объектов техники и отраслей хозяйства» и «Электропривод и автоматика».
Кроме студентов указанных профилей, учебное пособие может 
быть полезно и для студентов бакалавриата и магистратуры других 
специальностей, изучающих электрические дисциплины.
Силовая электроника является наиболее быстро развивающейся 
отраслью электротехники, которая оказывает существенное влияние 
на развитие техники вообще и на развитие техники электроснабжения и электрического привода в частности.
Основной целью использования силовых полупроводниковых 
преобразователей в сфере электроснабжения является повышение 
качества электрической энергии при ее передаче (вставки постоянного тока) и при использовании в распределительных сетях (фильтрокомпенсирующие устройства).
Основное назначение силовых полупроводниковых преобразовательных устройств в электроприводе — преобразовывать параметры электрической энергии, подводимой к электродвигателю, 
таким образом, чтобы обеспечить его экономичную работу и регулирование скорости. Области применения силовых полупроводниковых приборов и преобразователей в различных отраслях 
электротехники постоянно расширяются, являясь основой научнотехнического прогресса во всех областях, где используется электрическая энергия.
В результате широкого внедрения силовой электроники в большинство видов электрических технологий возникла необходимость 
включать в программы подготовки бакалавров по данному направлению как отдельную дисциплину профессионального цикла силовую электронику или ее основной раздел — преобразовательную 
технику.
Задача учебного пособия — дать студентам необходимые знания 
о месте и роли устройств преобразовательной техники в современных 
электротехнических установках и системах, о силовых полупроводниковых приборах, их номенклатуре и характеристиках, о принципах 
построения, схемотехнике и характеристиках полупроводниковых 

преобразователей, используемых в системах автоматизированного 
электропривода и электроснабжения.
Базовой дисциплиной для изучения силовой электроники являются «Теоретические основы электротехники», изучение которых 
должно предшествовать овладению курсом силовой электроники 
и преобразовательной техники. В свою очередь, знания в области 
преобразовательной техники необходимы для изучения дисциплин 
профессионального цикла направления «Электроэнергетика и электротехника», таких как «Электрический привод», «Теория электропривода».
Изучение дисциплины «Силовая электроника» является важной 
составляющей подготовки бакалавров и магистров по направлению 
«Электроэнергетика и электротехника».
Следует особо подчеркнуть, что силовая электроника является 
новой и быстро развивающейся отраслью электротехники и знания 
в этой области необходимы не только студентам вузов, но и специалистам, работающим в области электропривода и электроснабжения, 
в процессе повышения их квалификации.

Введение

В состав данной дисциплины входит рассмотрение основных элементов силовых полупроводниковых устройств, характерных для них 
способов преобразования электрической энергии, основных схем 
и характеристик полупроводниковых преобразователей, используемых в электроснабжении и технике электропривода. Большое 
внимание уделяется рассмотрению управляемых выпрямителей для 
электроприводов с двигателями постоянного тока и для вставок постоянного тока в линиях электропередачи, а также преобразователей 
частоты для электроприводов с двигателями переменного тока.
Промышленные и другие предприятия получают электрическую 
энергию от сетей трехфазного переменного тока со стандартными 
значениями напряжения и частоты. Стандартные значения параметров электрической энергии обеспечивают наиболее эффективное производство, передачу и распределение электрической 
энергии между потребителями. Однако для сферы использования 
стандартные параметры электрической энергии далеко не всегда являются оптимальными. Во многих случаях требуется электрическая 
энергия постоянного тока (электрический транспорт, электролиз 
и др.), некоторые технологические процессы нуждаются в электроэнергии высокой частоты (электротермия и др.). Основной потребитель электрической энергии — электропривод — во многих 
случаях потребляет электрическую энергию в преобразованном 
виде, а для преобразования электрической энергии применяются 
в основном силовые полупроводниковые устройства.
С каждым годом передача и потребление электрической энергии 
в преобразованном виде все более расширяются и достигли к настоящему времени в некоторых странах 40%, причем чем выше технологический уровень отдельных стран, тем большая часть вырабатываемой электроэнергии подвергается преобразованию. Благодаря 
столь высоким масштабам использования электроэнергии в преобразованном виде полупроводниковая преобразовательная техника 
выросла в одну из ведущих отраслей хозяйства, использующих новейшие достижения физики, микроэлектроники и нанотехнологий.
Основное назначение силовых полупроводниковых преобразовательных устройств в электроприводе — преобразовывать параметры 
электрической энергии, подводимой к электродвигателю, таким 
образом, чтобы можно было экономично регулировать его момент, 
скорость и положение вала.
Большинство электроприводов получают питание от промышленной электрической сети со стандартными значениями напря

жения и частоты переменного тока. Нерегулируемые электроприводы с синхронными и асинхронными двигателями питаются 
непосредственно от сети и не требуют при своей работе преобразования электрической энергии. Однако и для нерегулируемых 
электроприводов потребность в преобразовательных устройствах 
постоянно возрастает — они используются для осуществления 
плавного пуска асинхронных и синхронных двигателей мощностью более 100 кВт.
Электроприводы на базе двигателей постоянного тока неизбежно 
содержат в своем составе управляемые выпрямители, преобразующие энергию переменного тока стандартной частоты в энергию 
постоянного тока (при работе электропривода в тормозном режиме 
требуется обратное преобразование).
Электродвигатели переменного тока не допускают экономичного 
регулирования скорости при непосредственном питании от сети. 
Наиболее совершенным способом регулирования асинхронных 
и синхронных двигателей является частотное управление, при котором двигатель получает питание от преобразователей частоты с регулируемой выходной частотой и напряжением (или током).
Классификация силовых полупроводниковых преобразователей, 
используемых в системах электроснабжения и электропривода, дана 
на рис. 1.

Силовые полупроводниковые преобразователи
для систем электроснабжения и электропривода

Управляемые
выпрямители
и инверторы,
ведомые сетью

Регуляторы
переменного напряжения

Регуляторы
постоянного напряжения

Преобразователи
частоты

Полупроводниковые
коммутаторы тока

С промежуточной цепью
постоянного
тока

С непосредственной связью

С широтноимпульсной
модуляцией

С импульснофазовым
управлением

Для электроприводов
постоянного
тока

Для электропередач
постоянного
тока

Инверторы
тока

Инверторы
напряжения

Рис. 1. Классификация силовых полупроводниковых преобразователей для 
электропривода и электроснабжения

Эти преобразователи по своим функциям распределяются следующим образом.
1. Управляемые выпрямители, преобразующие переменный ток 
стандартной частоты в постоянный (выпрямленный) ток. Управляемые выпрямители в инверторном режиме могут преобразовывать энергию постоянного тока в энергию переменного тока. Управляемые выпрямители и инверторы, ведомые сетью, применяются 
в электропередачах постоянного тока и в приводах с двигателями 
постоянного тока. Наиболее распространены тиристорные управляемые выпрямители с импульсно-фазовым управлением и коммутацией за счет напряжения сети.
2. Преобразователи частоты, преобразующие напряжение (ток) 
стандартной частоты в напряжение (ток) регулируемой частоты. 
Наибольшее распространение в технике электропривода получили 
преобразователи частоты со звеном постоянного тока, которые 
состоят из трех компонентов: управляемого или неуправляемого 
выпрямителя, фильтра в цепи выпрямленного тока и автономного 
инвертора напряжения или тока, преобразующего выпрямленное 
напряжение (ток) в переменное напряжение или ток регулируемой 
частоты и амплитуды. Находят ограниченное применение и преобразователи частоты с непосредственной связью питающей сети 
и нагрузки, преобразующие переменное напряжение в напряжение 
регулируемой частоты и амплитуды. Преобразователи частоты используются для питания двигателей переменного тока и управления 
ими, а также в электротермии.
3. Регуляторы напряжения переменного тока, которые изменяют среднее значение напряжения переменного тока, не изменяя 
его частоты. Эти регуляторы находят применение в различных системах электроснабжения как общего, так и специального характера, 
в частности в устройствах плавного пуска двигателей переменного 
тока. При использовании таких регуляторов возникают искажения 
в сети. Активные силовые фильтры корректируют форму переменного напряжения и тока, приближая ее к синусоидальной в условиях 
потребления электрической энергии многочисленными силовыми 
преобразовательными установками, действие которых приводит 
к искажению тока и напряжения в сети.
4. Регуляторы напряжения постоянного тока, изменяющие 
среднее значение постоянного напряжения. Эти преобразователи используются для двигателей постоянного тока при их питании от сети 
(или источника) постоянного тока.
5. Силовые полупроводниковые коммутаторы, переключающие 
ток в обмотках статора двигателя. Такие коммутаторы используются 
в вентильных, вентильно-индукторных, шаговых и других электроприводах.

Такие преобразователи являются необходимым элементом регулируемого электропривода. Поскольку основной тенденцией развития электропривода является переход от нерегулируемого электропривода к регулируемому, то применение силовых полупроводниковых преобразователей в нем непрерывно увеличивается. Такие 
преобразователи являются также основой вставок постоянного тока 
в линиях электропередачи, статических компенсаторов реактивной 
мощности и активных силовых фильтров.

Контрольные вопросы
1. 
Каковы основные задачи, решаемые при изучении силовых полупроводниковых устройств в курсе силовой электроники?
2. 
Насколько широко применяется электрическая энергия, преобразованная с помощью силовых полупроводниковых преобразователей?
3. 
В каких системах электроснабжения применяются управляемые выпрямители и инверторы?
4. 
Для питания каких электродвигателей используются управляемые выпрямители?
5. 
Для питания каких электродвигателей используются преобразователи 
частоты?
6. 
Какие существуют виды преобразователей частоты?

Глава 1. СИЛОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ 
ПРИБОРЫ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЦЕПЕЙ 
УПРАВЛЕНИЯ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Силовые полупроводниковые преобразователи, используемые 
в системах электроснабжения и в электроприводе, строятся на силовых полупроводниковых приборах, таких как диоды, тиристоры, 
транзисторы и др. Понятие «силовой» означает, что эти приборы 
служат для управления потоком электрической энергии, а не потоком информации. Обычно это приборы с максимально допустимым значением среднего тока выше 5 А. Силовые полупроводниковые приборы (их называют также полупроводниковые вентили) 
выполняют функции включения и выключения (коммутации) электрического напряжения или тока.
Полупроводниковые вентили проводят ток только в одном направлении и предназначены для работы только в ключевом режиме, 
т.е. могут находиться только в двух состояниях: проводящем электрический ток (включенном) или непроводящем (выключенном, 
закрытом). В этом смысле полупроводниковые вентили можно рассматривать как силовые электронные ключи.
Идеальный электронный ключ характеризуется следующим:
 
• в выключенном состоянии ток в ключе отсутствует;
 
• во включенном состоянии падение напряжения на ключе пренебрежимо мало;
 
• переход из выключенного состояния во включенное и обратно 
происходит практически мгновенно.
Реальные полупроводниковые вентили пропускают в выключенном состоянии небольшой ток, называемый током утечки, 
и могут поддерживать выключенное (закрытое) состояние, только 
пока напряжение на вентиле не превышает предельного значения, 
называемого напряжением пробоя. Во включенном состоянии падение напряжения на вентиле не превышает нескольких вольт 
(от 1 до 3,5 В в зависимости от типа вентиля), причем ток вентиля 
не должен превышать предельного значения, определяемого нагревом вентиля. Нарастание тока (di / dt) при включении вентиля 
не должно быть слишком быстрым, чтобы не повредить полупроводниковую структуру вентиля, а нарастание напряжения (du / dt) 
на вентиле при его выключении должно соответствовать темпу восстановления запирающих свойств вентиля.

Основными видами силовых полупроводниковых приборов являются:
 
• диоды;
 
• тиристоры (однооперационные);
 
• запираемые тиристоры;
 
• транзисторы.
Часто силовые полупроводниковые приборы конструктивно объединяются в модули: встречно включенные тиристоры (симисторы), 
встречно включенные транзистор и диод, полупроводниковый мост и др.

1.2. ДИОДЫ

Функционально диод является электронным прибором с односторонней проводимостью. Диод находится в проводящем состоянии, 
если он подключен к внешнему источнику напряжения положительным потенциалом к аноду А и отрицательным — к катоду К 
(рис. 2, а). Ток диода I определяется параметрами внешней цепи 
и величиной питающего напряжения. При приложении обратного 
напряжения ток через диод пренебрежимо мал, т.е. диод находится 
в выключенном состоянии, блокируя приложенное напряжение. 
Примерная вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода представлена на рис. 2, б. В проводящем состоянии на диоде имеется незначительное (1,5—2,5 В) прямое падение напряжения ΔU. Обратный 
ток пренебрежимо мал и возрастает до тока пробоя при превышении 
допустимого обратного напряжения Uобр.

A

I

K –
+
U

I

ΔU

Uобр

а
б

Рис. 2. Схема включения (а) и ВАХ диода (б)

При приложении обратного напряжения в пределах допустимого 
диод восстанавливает свои запирающие свойства за некоторое время, 
называемое временем восстановления tвос, в связи с чем диоды различаются на низкочастотные — tвос ≥ 15 мкс и быстровосстанавливающиеся — tвос < 15 мкс. Быстровосстанавливающиеся диоды эффективно используются в сочетании с транзисторами и запираемыми