Выпрямительные устройства в силовой электронике

Ладенко Н. В.

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА 

В СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие

Москва
Вологда

«Инфра-Инженерия»

2019

УДК 621.314

ББК 31.264.5

Л15

Рецензенты:

Б. Х. Гайтов, д-р техн. наук, проф. кафедры ЭиЭМ ФГБОУ ВО «КубГТУ»;

Б. А. Коробейников, д-р техн. наук, проф. кафедры электроснабжения 

промышленных предприятий ФГБОУ ВО «КубГТУ»

Ладенко, Н. В. 

Л15
Выпрямительные устройства в силовой электронике : учебное пособие / 

Н. В. Ладенко. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. − 168 с. : ил.,

табл.

ISBN 978-5-9729-0382-5

Рассмотрены преобразователи техники, дана их классификация, показаны 

схемы их работы. Уделено внимание вопросам правильного подбора выпрями
тельных устройств и их защиты. Даны примеры расчётов.

Для студентов электротехнических специальностей профессиональных учеб
ных заведений.  

УДК 621.314

ББК 31.264.5

ISBN 978-5-9729-0382-5
Ó Н. В. Ладенко, 2019

Ó Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

Ó Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019

СОДЕРЖАНИЕ

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.............................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................7

ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ..............................9

1.1. Выпрямители с неуправляемыми вентилями.....................................12

ГЛАВА 2. ТОПОЛОГИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ С ЕСТЕСТВЕННОЙ 

КОММУТАЦИЕЙ...............................................................................25

2.1. Однофазные преобразователи .............................................................26

2.2. Некоторые типовые схемы трехфазных преобразователей..............28

2.3. Схемы тиристорных реверсивных двухполупериодных 

преобразователей с питанием от однофазной сети (1Ф2Н2П).........30

2.4. Схемы тиристорных реверсивных трехфазных нулевых 

преобразователей ........................................................................................33

ГЛАВА 3. РАБОТА ОДНОФАЗНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ СХЕМ.....................37

3.1. Однополупериодная схема выпрямления...........................................37

3.2. Двухполупериодные схемы выпрямления однофазного тока ..........42

3.3. Работа схемы на активную нагрузку при углах управления a > 0 ....47

3.4. Неуправляемая схема выпрямления....................................................50

3.5. Работа однофазной мостовой схемы с углом регулирования a ¹ 0.... 53

3.6. Активно-индуктивная нагрузка с углом открытия больше 

нуля, a > 0..............................................................................................56

ГЛАВА 4. ВЫПРЯМИТЕЛИ С АКТИВНО-ИНДУКТИВНОЙ 

НАГРУЗКОЙ........................................................................................62

4.1. Процессы в схемах с углом a > 0 ......................................................... 62

4.2. Двухполупериодная мостовая вентильная схема с противо-ЭДС ...67

4.3. Трехфазная однотактная схема выпрямления тока (трехфазная схема 

со средней точкой, трехфазная нулевая трехпульсная схема) ...........71

4.4. Трехфазная вентильная схема (схема Ларионова).............................82

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ РЕЖИМОВ В СХЕМАХ 

ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ.............................................................................93

5.1. Коммутация в однофазных схемах......................................................93

5.2. Влияние процесса коммутации в других схемах...............................98

5.3. Внешние характеристики выпрямителей .........................................101

5.4. Работа выпрямителей на противо-ЭДС ............................................102

ГЛАВА 6. ВЫБОР СОГЛАСУЮЩЕГО ТРАНСФОРМАТОРА 

И ВЕНТЕЛЕЙ....................................................................................106

6.1. Примерный порядок проектирования схем преобразователей 

с естественной коммутацией .............................................................106

6.2. Выбор трансформатора ......................................................................108

6.3. Автотрансформатор в двухполупериодных вентильных схемах...115

6.4. Дроссели ..............................................................................................118

6.5. Выбор вентилей (тиристоров)............................................................119

ГЛАВА 7. ЗАЩИТНЫЕ ЦЕПИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ..............................124

7.1. Защита от перенапряжений на входе преобразователя...................124

7.2. Защита тиристоров..............................................................................126

7.3. Теплоотвод...........................................................................................130

7.4. Защита от перенапряжения ................................................................131

7.5. Защита от аварийных токов ...............................................................131

7.6. Защита цепи управляющего электрода.............................................137

ГЛАВА 8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С СЕТЬЮ 

И НАГРУЗКОЙ .................................................................................138

8.1. Энергетические показатели в сети ....................................................138

8.2. Фильтр в звене постоянного напряжения.........................................146

8.3. Фильтр с одной емкостью ..................................................................149

8.4. Фильтр индуктивно-емкостной .........................................................154

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ...............................................................158

ЛИТЕРАТУРА .......................................................................................................165

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Вторичные источники питания, ВИП − это преобразователи электриче
ской мощности, тока, напряжения, частоты, формы тока и напряжения к необходимым для потребителя параметрам.

Выпрями́ тель (электрического тока) − преобразователь электрической 

энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое 
устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока 
переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае − в постоянный выходной электрический ток.

Силовая электроника − область электроники, связанная с преобразова
нием, переключением (включением и отключением) без управления или управления электрической энергией.

Мотор-генератор (нем. Umformer, двигатель-генератор) − электрическая 

машина для преобразования электрической энергии из одной её формы в другую, 
либо же, в некоторых случаях, функционирующая как проводник электрической 
энергии, не производящий в конечном итоге данного преобразования. 

Электрическая машина − электромеханический преобразователь физи
ческой энергии, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силы 
Ампера, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.

Топология − это раздел математики, где императивно признают не значи
мым положение предметов.

В электронике топология, как это ни странно звучит − сборочный чертёж. 

Т. е. чётко описанное положение деталей (вплоть до долей милиметра), которое 
нельзя нарушать.

Асинхронная машина − электрическая машина переменного тока, в кото
рой частота вращения ротора отличается от частоты вращения магнитного поля 
в воздушном зазоре на частоту скольжения.

Синхронная машина − электрическая машина переменного тока, в кото
рой частоты вращение ротора и магнитного поля в зазоре равны.

Машина двойного питания − электрическая машина переменного тока, 

в которой ротор и статор в общем случае имеют разные частоты питающего тока. 
В результате ротор вращается с частотой, равной сумме (разности) питающих 
частот.

Машина постоянного тока − электрическая машина, питаемая постоян
ным током и имеющая коллектор.

Универсальный коллекторный двигатель − электрическая машина, пи
таемая постоянным или переменным током и имеющая коллектор.

Вентильный двигатель − электрическая машина постоянного тока, в ко
торой механический коллектор заменён полупроводниковым коммутатором 

(ПК), возбуждение осуществляется от постоянных магнитов, размещенных 
на роторе; а статорная обмотка, как в синхронной машине. ПК по сигналам логического устройства поочерёдно, в определённой последовательности, попарно 
подключает фазы электродвигателя к источнику постоянного тока, создавая вращающееся поле статора, которое, взаимодействуя с полем постоянного магнита
ротора, создаёт вращающий момент электродвигателя.

Умформер на базе электрической машины − как правило, пара электриче
ских машин, соединённых валами, выполняющих преобразование рода тока 
(постоянный в переменный или наоборот), частоты тока, числа фаз, напряжений.

Сельсин − электрическая машина для дистанционной передачи информа
ции об угле поворота.

Трансформатор − электрический аппарат переменного тока (электриче
ский преобразователь), преобразующий электрический ток напряжения одного 
номинала в электрический ток напряжения другого номинала. Существуют статические и поворотные трансформаторы.

Основная задача трансформаторов − изменение значения переменного 

напряжения. Трансформаторы используются как в виде самостоятельных приборов, так и в качестве составных элементов других электротехнических 
устройств.

Принцип работы трансформатора основан на эффекте электромагнит
ной индукции.

Преобразователи с естественной коммутацией, могут быть управляе
мыми и неуправляемыми. Наиболее распространенными управляемыми вентилями являются тиристоры, а неуправляемыми – полупроводниковые диоды.

Число пульсаций – это отношение частоты низшей гармоники напряже
ния в пульсирующем напряжении на стороне постоянного тока преобразователя 
к частоте напряжения на стороне переменного тока.

Двухполупериодный выпрямитель можно рассматривать как два одно
тактных однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на общую 
нагрузку.

Основным свойством двухполупериодных выпрямителей является 

протекание электрического тока через нагрузку за оба полупериода в одном 
и том же направлении.

Трехфазные нулевые инверторы, содержащие устройство для возврата 

реактивной мощности источнику постоянного питающего напряжения в трехфазных преобразователях, не обеспечивают достаточно высокого КПД. 

Дроссель в электротехнике − катушка индуктивности, обладающая высо
ким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному.

Тиристор − это четырехслойный полупроводниковый прибор, который ис
пользуется в качестве электронного ключа.

Фильтр в электронике − устройство для выделения желательных фонов 

спектра электрического сигнала и/или подавления нежелательных.

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие предназначено для студентов электротехниче
ских специальностей высших учебных заведений, профессиональных учебных 

заведений.

Целью создания данного учебного пособия является необходимость 

расширения объема учебной информации, изложенной в других источниках 

и методических пособиях. Оно дополняет и расширяет теоретические знания 

студента по таким дисциплинам, как электротехника, электроника, электротех
нические измерения и электротехнические материалы. Учебное пособие дает

возможность студентам самостоятельно изучить необходимый теоретический 

материал.

Вторичные источники питания, ВИП − это преобразователи электрической 

мощности, тока, напряжения, частоты, формы тока и напряжения к необходи
мым для потребителя параметрам. То есть вторичный источник питания функ
ционально находится между выходом «первичного» источника питания и пита
ющим входом потребителя / нагрузки. Обычно − это преобразование сетевого 

переменного или напряжения в постоянные напряжения заданных номиналов, 

необходимые для обеспечения работоспособности электронных схем.

В учебном пособии рассматриваются вопросы:

• теоретические основы работы однофазных и трехфазных выпрямитель
ных преобразователей;

• специальные режимы работы выпрямителей;

• элементы защиты;

• взаимодействие выпрямителей с сетью и нагрузкой.

При несомненном преимуществе импульсных преобразователей ком
мутация больших токов при высоких напряжениях с малыми временами пере
ключения служит причиной образования мощных электромагнитных помех, 

распространяющихся по линиям связи и в окружающем пространстве. Это тре
бует применения дополнительных мер по конструктивному и схемотехниче
скому обеспечению электромагнитной совместимости электрических и элек
тронных устройств.

Непрерывное совершенствование полупроводниковой технологии и повы
шение степени интеграции позволили создать энергетические модули, объеди
няющие силовые приборы и информационные системы управления, что значи
тельно повысило надежность устройств. Вместе с тем надежность системы в це
лом, массогабаритные параметры преобразователей и их характеристики зависят 

как от типа полупроводниковых элементов, так и от параметров фильтрующих 

устройств. Весьма актуальной при проектировании силовых преобразователей 

является проблема совместной миниатюризации и поиск возможностей исполь
зования интегральной технологии для построения устройств. Минимизация 

уровня рассеиваемой мощности требует решения задач расчета тепловых режи
мов.

Основу элементной базы составляют полупроводниковые структуры 

и приборы (диоды, транзисторы, тиристоры, стабилитроны, варисторы). Пассив
ные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформа
торы) применяются для задания режимов работы полупроводниковых приборов, 

а также в составе отдельных преобразователей.

В результате изучения данного пособия студенты должны знать: виды 

и структуру силовых преобразователей, характеристики типовых энергетиче
ских преобразователей; уметь: проводить классификацию источников электро
питания; владеть: технологией работы типовых энергетических преобразовате
лей (выпрямителя, стабилизатора, инвертора).

ГЛАВА 1.

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Преобразователи электрической энергии служат для электропитания

устройств, управления исполнительными механизмами, регулирования темпера
туры объектов и составляют неотъемлемый атрибут электронных устройств. 

Силовой электронный преобразователь (СЭП) представляет собой устройство, 

которое с помощью управляющего (информационного) сигнала х преобразует 

энергию W электрической сети или автономного источника в энергию другого 

вида W2, обладающую параметрами, которые задает управляющий сигнал х 

(рис. 1.1, а).

Рис. 1.1. Силовой прибор (а), выпрямитель (б), стабилизатор (в), 

регулятор (г), инвертор (д)

Вид электрической энергии (напряжения и тока) на входе и выходе преоб
разователя служит одним из главных классификационных признаков устройств: 

выпрямитель преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного 

тока (рис. 1.1, б); стабилизатор преобразует энергию постоянного тока в напря
жение и ток с заданными параметрами (рис. 1.1, в); регулятор изменяет по задан
ному закону значение переменного напряжения (рис. 1.1, г); инвертор преобра
зует энергию постоянного тока в энергию переменного тока (рис. 1.1, д). 

Более сложные преобразователи, например для управления электродвигателем, 

можно построить с использованием соединения приведенных типовых блоков. 

Для силовых (энергетических) преобразователей в качестве базового параметра 

принимают экономичность, характеризуемую коэффициентом полезного дей
ствия (КПД), который определяют как отношение полезной выходной мощности 

преобразователя к подводимой мощности.

Указанный параметр обусловил требования к структуре и элементной базе 

силовых преобразователей. По определению СЭП представляет собой устрой
ство, преобразующее с минимальными потерями энергию промышленной элек
трической сети или автономного источника в энергию нагрузки с заданными па
раметрами. В качестве управляемых элементов современных преобразователей 

нашли применение различные полупроводниковые приборы, преимущественно 

транзисторы. Энергетические и массогабаритные показатели силового оборудо
вания обеспечиваются выбором принципа действия, схемы, элементной базы 

и режимов работы преобразователей. Для уменьшения потерь энергии исполь
зуют импульсный режим управления, обеспечивающий работу полупроводнико
вых приборов в экономичных режимах переключения.

Выпрямители классифицируют по следующим признакам: 

• по виду переключателя выпрямляемого тока 

o механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором 

тока;

o механические синхронные с контактным переключателем (выпрями
телем) тока;

o с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристор
ные);

o электронные синхронные (например, транзисторные) − как разновид
ность выпрямителей с управляемой коммутацией;

o с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);

• по мощности

o силовые выпрямители;

o выпрямители сигналов;

• по степени использования полупериодов переменного напряжения 

o однополупериодные − пропускают в нагрузку только одну полуволну;

o двухполупериодные − пропускают в нагрузку обе полуволны;

o неполноволновые − не полностью используют синусоидальные полу
волны;

o полноволновые −
полностью используют синусоидальные полу
волны;

• по схеме выпрямления − мостовые, с умножением напряжения, транс
форматорные, с гальванической развязкой, бестрансформаторные и пр.;

• по количеству используемых фаз − однофазные, двухфазные, трёхфаз
ные и многофазные;

• по типу электронного вентиля − полупроводниковые диодные, полупро
водниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотрон
ные, игнитронные, электрохимические и пр.;

• по управляемости − неуправляемые (диодные), управляемые (тиристор
ные);

• по количеству каналов − одноканальные, многоканальные;

• по величине выпрямленного напряжения − низковольтные (до 100 В), 

средневольтовые (от 100 до 1000 В), высоковольтные (свыше 1000 В);

• по назначению − сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для 

питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр.;

• по степени полноты мостов − полномостовые, полумостовые, четверть
мостовые;

• по наличию устройств стабилизации − стабилизированные, нестабили
зированные;

• по управлению выходными параметрами − регулируемые, нерегулируе
мые;

• по индикации выходных параметров − без индикации, с индикацией 

(аналоговой, цифровой);

• по способу соединения − параллельные, последовательные, параллельно
последовательные;

• по способу объединения − раздельные, объединённые звёздами, объеди
нённые кольцами;

• по частоте выпрямляемого тока − низкочастотные, среднечастотные, 

высокочастотные.

Производство и распределение электрической энергии в основном осу
ществляется на переменном токе, вследствие простоты трансформации напряже
ния. Однако значительная часть производимой электрической энергии (30−35 %) 

используется на постоянном токе, в том числе и для передачи на расстояния.

1.1.
ВЫПРЯМИТЕЛИ С НЕУПРАВЛЯЕМЫМИ 

ВЕНТИЛЯМИ

Устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в по
стоянный ток, называется выпрямителем.

Необходимость выпрямления тока на практике возникает: в электропри
воде постоянного тока, системах возбуждения машин, химической промышлен
ности, системах управления и регулирования, электротяге, при передаче элек
троэнергии постоянным током на дальние расстояния и т. д.

Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяются вен
тильные установки, состоящие из компонентов:

• электрических вентилей (диоды, тиристоры);

• силового согласующего трансформатора, с помощью которого полу
чают необходимое число фаз и величину выпрямленного напряжения;

• сглаживающих фильтров, уменьшающих амплитуды высших гармоник 

выпрямленного тока.

Работа преобразовательных установок сопровождается сложными элек
тромагнитными процессами, характер которых зависит от многих параметров 

системы, содержащей нелинейные элементы (вентили) и магнитные связи.