Синтез и анализ многофазных вентильных преобразователей

 
 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «МОНОГРАФИИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. (отв. секретарь)  В.Н. Васюков 
 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. А.К. Дмитриев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р физ.-мат. наук, проф. О.В. Кибис 
д-р социол. наук, проф. Л.А. Осьмук 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Г.И. Расторгуев 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. В.А. Хрусталев 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
 
 
 

УДК 621.314.27 
Щ 984 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор С.А. Харитонов 
д-р техн. наук, профессор В.И. Пантелеев 
 
Щуров Н.И. 
Щ 984  
Синтез и анализ многофазных вентильных преобразователей : монография / Н.И. Щуров, С.В. Мятеж. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 
2020. – 202 с. – (Монографии НГТУ). 
ISBN 978-5-7782-4140-4 

Монография посвящена разработке методов структурного синтеза и схемотехнического анализа вентильных преобразователей переменного тока в 
постоянный ток. В ней рассмотрена теория построения схемных решений 
многопульсных выпрямителей с естественной коммутацией и на конкретных 
примерах показаны пути их дальнейшего развития и совершенствования. 
Проведен детальный анализ классификационных признаков существующих 
вентильных преобразователей и установлено, что они не в полной мере реализуют гносеологическую роль, не отражают иерархию и суть происходящих в 
них процессов. Предлагаемая топологическая классификация не зависит от 
элементной базы и помогает ориентироваться в огромном множестве схемных 
решений вентильных преобразователей, систематизируя принципы их работы. 
Это упрощает проведение анализа, делая более осмысленным подход к изучению электромагнитных процессов для решения прикладных задач потребительского характера. 
Монография может быть интересна специалистам, связанным с разработкой, изготовлением и эксплуатацией силовой преобразовательной техники и систем электроснабжения постоянного тока, а также инженерно-техническим работникам научных и проектных организаций.  
Монография подготовлена в рамках программы «Разработка эффективного 
устройства нового поколения для компенсации реактивной мощности и подавления гармонических составляющих токов высших порядков в электроэнергетике», гос. задание № 8.10997.2018/11.12. 
 
 
УДК 621.314.27 
 
ISBN 978-5-7782-4140-4 
© Щуров Н.И., Мятеж С.В., 2020 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет, 2020 

УДК 621.314.27 
Щ 984 
 
Reviewers: 
Professor S.A. Kharitonov, D.Sc. (Eng.) 
Professor V.I. Panteleev, D.Sc. (Eng.) 
 
 
Shchurov N.I. 
Щ 984  
Synthesis and analysis of multiphase valve inverters : monograph / 
N.I. Shchurov, S.V. Myatezh. – Novosibirsk : NSTU Publisher, 2020. – 
202 p. – (NSTU Monographs). 
ISBN 978-5-7782-4140-4 

The monograph deals with the development of methods of structural synthesis 
and circuit analysis of valve inverters of alternating current into direct current.  
It considers the theory of constructing circuit designs of multi-impulse rectifiers 
with natural commutation. The ways of their further development and improvement 
are shown on specific examples. A detailed analysis of qualification attributes of 
the existing valve inverters is made. It is revealed that they do not fully implement 
the gnoseological role and do not reflect the hierarchy and essence of the process 
occurring in them. The proposed topological classification does not depend on the 
element base and helps to orient in a whole lot of circuit designs of valve inverters 
by systematizing the principles of their operation. This simplifies the analysis and 
provides a more sensible approach to studying electromagnetic processes to solve 
applied consumption problems. 
The monograph can be of interest to specialists involved in developing, manufacturing and operating power converter equipment and systems of dc power supply, as well as to engineers and technicians at research and design organizations.  
The monograph has been prepared within the program “The development of an 
efficient new generation device for power factor compensation and neutralization of 
harmonic components of high currents in the electric power industry”, State task 
No. 8.10997.2018/11.12. 
 
 
 
 
 
УДК 621.314.27 
 
ISBN 978-5-7782-4140-4 
© Shchurov N.I., Myatezh S.V., 2020  
 
© Novosibirsk State Technical University, 2020 

ÂÂÅÄÅÍÈÅ 
 
бласть науки и техники, связанная с решением задач преобразования электрической энергии из одного ее вида в другой, получила название преобразовательной техники.  
Одним из исторически первых видов преобразования электрической 
энергии является выпрямление, в процессе которого энергия переменного 
тока преобразуется в энергию выпрямленного, условно постоянного тока.  
Более 30 % потребителей разных отраслей народного хозяйства и 
промышленности, включая электрический транспорт, используют электрическую энергию постоянного тока.  
Современной наукой накоплен богатый практический и теоретический 
опыт преобразования переменного тока в постоянный ток, который во 
многом основан на известных базовых принципах, определенных исследователями и изобретателями еще на заре развития электротехники. Однако за кажущейся простотой преобразования переменного тока в постоянный скрываются малоизученные или недостаточно освещенные аспекты 
организации процесса выпрямления, хорошо известные лишь сравнительно узкому кругу специалистов. 
Это привело к тому, что в настоящее время выпрямительная техника 
эксплуатирует практически одни и те же схемные решения, предложенные 
в начале ХХ века, дающие в выпрямленном напряжении сети трехфазного 
переменного тока максимум шесть пульсаций за один рабочий период. 
Причем для повышения качества выпрямленного напряжения и улучшения электромагнитной совместимости чаще всего предлагается объединять работающие выпрямители путем их агрегирования, который дает 
кратное увеличение пульсности, например, с шести до двенадцати. При 
таком шаблонном подходе не реализуются потенциальные возможности 
улучшения энергетических характеристик выпрямителей, заложенные в 
способах совершенствования их схемных решений. 
Поэтому в настоящей монографии систематизирован материал по преобразованию переменного тока в постоянный. Этот материал представляет собой развитие и некоторую популяризацию структурного синтеза и 
схемотехнического анализа полупроводниковых выпрямителей, что может 
способствовать их практическому распространению в конструкторскопроектной деятельности.  
Немаловажным дополнительным фактором авторы считают расширение фундаментальных знаний о природе зарождения преобразовательных 

О 

 

структур, что может дать толчок к созданию более совершенных аппаратов их исследования. 
Несмотря на то что ряд теоретических вопросов преобразования электрической энергии в монографии не рассматривается, для более целостного восприятия она выполнена по канонической форме. 
В первом разделе изложен ретроспективный взгляд на выпрямительную технику и ее научное «сопровождение» схемотехнического плана. 
Выполнена классификационная часть исследований, связанных с информационно-патентным поиском, и показана необходимость нового топологического подхода к классификации схем выпрямления. 
Во втором – обобщены известные методики синтеза схемных решений и показано развитие новой концепции структурного синтеза схем выпрямления. В ее основе лежат информативные признаки, определяемые 
структурой вторичных напряжений преобразователя числа фаз. В результате этого разработаны и предложены методы вращающихся векторных 
диаграмм, временных диаграмм, а также метод, основанный на индексации вторичных напряжений. Кроме того, заложены теоретические основы 
синтеза новых классов преобразователей. 
В третьем разделе дана сравнительная оценка базовых направлений для 
построения трансформаторных преобразователей числа фаз с позиции минимизации их типовой мощности по критерию оптимального размещения точек 
Штейнера. Их практическое применение в сочетании с методами структурного синтеза позволит генерировать новые энергоэффективные схемные решения выпрямителей, а рациональные соотношения чисел витков обмоток 
трансформаторов потребуют наименьшего расхода материалов. Комплексный подход, представленный в монографии, универсален, и на его основе 
могут быть выполнены последующие разработки методик проектирования 
многопульсных выпрямителей, применяемых в любых областях. 
В четвертом разделе обоснована новая классификация выпрямителей, 
которая базируется на топологических признаках вентильных схем и преобразователей числа фаз. Такая классификация мало подвержена влиянию 
изменчивости внешних конструктивных и потребительских определителей и помогает ориентироваться в огромном множестве схемных решений, систематизирует принципы работы, упрощает анализ и делает более 
осмысленным подход к изучению особенностей протекания электромагнитных процессов. 
Авторы посвящают данную монографию светлой памяти своих учителей Германа Николаевича Ворфоломеева и Сергея Александровича Евдокимова и надеются претворить их замыслы и идеи в новые разработки. 

 

1.1. ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ ÈÑÒÎÐÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÐÀÇÂÈÒÈß ÂÛÏÐßÌÈÒÅËÅÉ 

 
9 

1. ÐÀÇÂÈÒÈÅ  ÑÕÅÌÎÒÅÕÍÈÊÈ  ÂÛÏÐßÌÈÒÅËÅÉ 

 
 
 
 
1.1. ÊÎÍÖÅÏÖÈÈ ÈÑÒÎÐÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÐÀÇÂÈÒÈß  
ÂÛÏÐßÌÈÒÅËÅÉ È ÈÕ ÎÒÐÀÆÅÍÈÅ  
 ÈÇÂÅÑÒÍÛÕ ÊËÀÑÑÈÔÈÊÀÖÈßÕ 
 
сторически сложилось так, что практически до второй половины XX века схемотехника выпрямителей развивалась, опираясь в основном на эвристические способы синтеза схем. Причем 
первые схемы выпрямления обязаны своим появлением зарождению 
радиоэлектроники. Выпрямительный эффект перехода полупроводник–металл открыл в 1874 г. F. Braun, а в 1883 г. Fritts создал первый 
селеновый вентиль. Впервые наблюдавшееся Эдисоном в том же 
1883 г. явление термоэлектронной эмиссии было предпосылкой бурного внедрения в преобразовательную технику электронных выпрямителей переменного тока, постепенно вытеснивших механические преобразователи. 
Изобретение ртутного выпрямителя в 1902 г. (Р.С. Hewitt) послужило мощным стимулом внедрения неуправляемых выпрямителей для 
питания установок постоянного тока [9]. В 1903 г. изобретатель Купер 
Юитт разработал конструкцию ртутного выпрямителя в железном сосуде, но не сумел довести ее до промышленного применения [10]. Первый же статический выпрямитель промышленного типа мощностью 
20 кВт на 110–165 В был разработан в 1911 г. Шеффером (Германия) [10], и наиболее высокий спрос такой выпрямитель получил на 
электрической тяге. В 1904 г. английский ученый Д.А. Флеминг, опираясь на открытие Эдисона, разработал конструкцию двухэлектродной 
лампы-диода и предложил применять свойство односторонней проводимости диода для детектирования высокочастотных сигналов в радиоприемнике [11]. Схемотехника детектора фактически соответствует 
схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 1.1, а).  

È 

 

1. ÐÀÇÂÈÒÈÅ ÑÕÅÌÎÒÅÕÍÈÊÈ ÂÛÏÐßÌÈÒÅËÅÉ 

10 
 

V
~
~

  
       

~

T
K1

R
iR

K2
 
а 
б 

K1
R
iR
K2
K3

i1

i2

i3
e3
e2

e1

 

Rн
 
в 
г 

Zн
 
    

~

R
 
д 
е 

R

 
Zн
 
ж 
з 

Рис. 1.1. Первые схемы статических выпрямителей:  

а – однофазная схема выпрямителя; б – двухфазная схема; в – трехфазный выпрямитель по схеме Миткевича; г – схема шестифазного выпрямителя; д – шестифазная каскадная схема Вологдина; е – однофазная схема Грэца–Поллака; ж – трехфазная схема  
  Лятура; з – каскадная схема шестифазного выпрямления по Грэцу (схема Ларионова)