Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. Трехфазные выпрямители с улучшенной ЭМС

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ  
СОВМЕСТИМОСТЬ УСТРОЙСТВ 
СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
ТРЕХФАЗНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ  
С УЛУЧШЕННОЙ ЭМС 
 
 
Учебно-методическое пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.314.6(075.8) 
Э 455 
 
Коллектив авторов: 
Г.С. Зиновьев, И.А. Александров, С.В. Заводина, Д.В. Кочнев,  
Д.А. Курочкин, Н.Н. Лопаткин, Н.В. Севастьянов  
 
Рецензенты:  
д-р техн. наук, профессор В.З. Манусов  
д-р техн. наук, профессор А.В. Сапсалев  
 
Работа выполнена на кафедре электроники и электротехники  
и утверждена Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебно-методического пособия 
 
Э 455  
Электромагнитная совместимость устройств силовой 
электроники. Трехфазные выпрямители с улучшенной 
ЭМС : учебно-методическое пособие / коллектив авторов. – 
Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2019. – 70 с. 

ISBN 978-5-7782-4052-0 

Настоящее учебно-методическое пособие является девятым продолжением запланированной серии учебно-методических пособий для практических занятий по курсу «Электромагнитная совместимость устройств 
силовой электроники», предназначенных для магистрантов и бакалавров 
специальности «Промышленная электроника». Во-первых, оно является 
учебным пособием, дополняя учебник «Основы силовой электроники», 
по одному важному новому подклассу старейшего класса выпрямительных устройств, а именно транзисторным трехфазным выпрямителям, 
управляемым в полном диапазоне регулирования выпрямленного напряжения, с улучшенной электромагнитной совместимостью за счет формирования практически синусоидального входного тока, фактически синфазного с питающим напряжением. Во-вторых, данное руководство используется и как методическое пособие для практических занятий по 
курсу ЭМС устройств силовой электроники применительно к анализу 
указанных новых устройств. 
 
УДК 621.314.6(075.8) 

ISBN 978-5-7782-4052-0 
© Коллектив авторов, 2019 
 
© Новосибирский государственный  
 
технический университет 2019 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Данное учебно-методическое пособие является продолжением (девятой частью) запланированной серии учебно-методических пособий 
для практических занятий по курсу «Электромагнитная совместимость 
устройств силовой электроники», предназначенных для магистрантов 
и бакалавров специальности «Промышленная электроника» [1–8]. Его 
особенностью, как и частей [4–8], является комбинированный характер 
материала. 
Во-первых, оно является учебным пособием, дополняя учебник «Основы силовой электроники» [9] и учебно-методическое пособие [10]  
по одному новому и важному классу преобразовательных устройств,  
а именно транзисторным трехфазным выпрямителям, управляемым  
в полном диапазоне, с улучшенным входным коэффициентом мощности. Во-вторых, данное руководство используется и как методическое 
пособие для практических занятий по курсу ЭМС устройств силовой 
электроники применительно к анализу указанных новых устройств. 
Особое, практически центральное, внимание к старейшему классу 
вентильных преобразователей – управляемым выпрямителям – обусловлено широким распространением самостоятельных устройств преобразования переменного тока в постоянный, а также использованием 
их как составной части в других типах преобразователей электрической энергии. Самостоятельными областями применения управляемых 
выпрямителей, потребляющими почти третью часть всей генерируемой электрической энергии, являются следующие:  
 системы передачи электрической энергии постоянного тока (высокого напряжения); 
 тяговые подстанции городского электрического транспорта 
(метро, трамвай, троллейбус) и железных дорог (электровозы, электропоезда); 
 системы регулируемого электропривода постоянного тока; 

 устройства электротехнологий (электролиз, гальваника, сварка, 
дуговые электропечи постоянного тока, плазменные установки и т. п.); 
 источники питания электронной, вычислительной, радиотехнической аппаратуры; 
Кроме того, другими областями применения управляемых выпрямителей, как составных частей преобразователей переменного тока в 
переменный, являются: 
 системы электропривода переменного тока, получающие питание от сетей переменного напряжения через выпрямители, с выходными инверторами как регуляторами частоты переменного напряжения; 
 системы электротехнологий на высокой частоте (индукционный 
нагрев, высокочастотная закалка и сварка, электрообработка поверхностей) с высокочастотными инверторами, получающими питание от сетей переменного напряжения через выпрямители; 
 перспективные инновационные элементы электрических сетей 
и систем – силовые электронные трансформаторы, которые характеризуются новыми качествами: высокой динамикой, малой массой и 
габаритами, регулируемым коэффициентом преобразования по 
напряжению, синусоидальными входными и выходными токами, 
возможностью кондиционировать качество преобразуемой энергии 
[В7, В8, В11]. 
Входной коэффициент мощности выпрямителей определяется значением коэффициента сдвига входного тока (cos )
  и его формой, характеризуемой коэффициентом искажения или коэффициентом гармоник тока. В СССР для энергосистем было характерно, что общий коэффициент сдвига сетевого тока был довольно низким (cos  порядка 
0,5), а для оптимизации режима работы энергосистемы необходим коэффициент сдвига сетевого тока порядка 0,9. Для повышения его значения в сети используют конденсаторные компенсаторы реактивной 
мощности. Если в западных энергосистемах удается с помощью компенсации добиться значений общего коэффициента сдвига сетевого 
тока на оптимальном уровне, то в СССР мощностей конденсаторных 
компенсаторов реактивной мощности было недостаточно (общий коэффициент сдвига сетевого тока повышался только до значений 
0,7…0,8). Поэтому тарифы на потребление электрической энергии в то 
время были зависимы от значения коэффициента сдвига входного тока 

потребителя (cos )
 . В свою очередь, это принуждало потребителей 
электрической энергии снижать потребление реактивной мощности, 
что применительно к выпрямителям означало необходимость совершенствования классических схем выпрямления. В эпоху тиристорных 
схем выпрямления их модернизация пошла по двум путям. Первое 
направление касалось схем с естественной коммутацией [9–12], а второе – схем с искусственной коммутацией и транзисторных выпрямителей [13–30].  
В учебно-методическом пособии в пяти разделах рассмотрены пять 
схем транзисторных, управляемых в почти полном диапазоне трехфазных выпрямителей с улучшенным входным коэффициентом сдвига и 
практически с синусоидальным входным током. 
1. Выпрямитель типа обращенного инвертора напряжения с дополнительным на выходе понижающим DC-DC-конвертором, исследованный магистрантом И. Александровым. 
2. Выпрямитель типа обращенного инвертора тока, исследованный 
магистрантом Д. Курочкиным. 
3. Выпрямитель типа обращенного инвертора тока с дополнительным на выходе понижающе-повышающим DC-DC-конвертором, исследованный магистранткой С. Заводиной. 
4. Выпрямитель на основе понижающего преобразователя SWISS, 
исследованный магистрантом Н. Севостьяновым. 
5. Маловентильный выпрямитель на основе инновационного [29, 
30] понижающе-повышающего преобразователя типа Кука, исследованный магистрантом Д. Кочневым. 
В разделе 6 приведена теория расчета входных энергетических показателей двух первых выпрямителей на основе метода АДУ, построенная доцентом Н.Н. Лопаткиным. 
Последний раздел пособия снабжен заданиями для практических 
занятий и для самостоятельной работы магистрантов. 
Заключение подводит итоги предварительного анализа исследованных классов транзисторных трехфазных выпрямителей. 
 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
 
В1. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 1: методическое руководство к практическим занятиям / Г.С. Зиновьев, 

В.А. Клан, А.М. Зимин, М.А. Петров, А.А. Шербелев. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2005. – 46 с. 
В2. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 2: методическое руководство к практическим занятиям / Г.С. Зиновьев, 
В.И. Попов, Р.С. Анбразевич, В.Г. Баулин, А.В. Волков, А.И. Митряшкина, 
О.В. Светлосанова, С.С. Снытко. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 87 с. 
В3. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 3: методическое руководство к практическим занятиям / Г.С. Зиновьев, 
Д.В. Игонин, И.А. Маслов, К.И. Савинов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2008. – 55 с. 
В4. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 4: учебно-методическое пособие / Г.С. Зиновьев, А.И. Мальнев, 
Д.В. Панфилов, В.И. Попов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. – 63 с. 
В5. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 5: учебно-методическое пособие/ Г.С. Зиновьев, А.В. Удовиченко. – 
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. – 56 с. 
В6. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 6: учебно-методическое пособие / Г.С. Зиновьев, Л.Г. Зотов, А.В. Сидоров, А.В. Удовиченко, А.В. Роньшин, В.А. Сковота. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2014. – 56 с. 
В7. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 7. Силовые электронные трансформаторы-1: учебно-методическое пособие / Г.С. Зиновьев, П.В. Козлов, Н.Н. Лопаткин. – Новосибирск: Изд-во 
НГТУ, 2015. – 63 с. 
В8. Электромагнитная совместимость устройств силовой электроники. 
Часть 8. Силовые электронные трансформаторы-2: учебно-методическое пособие / Г.С. Зиновьев, Е.Д. Баранов, И.А. Баховцев, Н.Н. Лопаткин, Г.В. Чиркова. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2016. – 115 с. 
В9. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей. – М.: Энергия, 1978. – 320 с. 
В10. Каганов И.Л. Электронные и ионные преобразователи. Часть 3. – М.: 
ГЭИ, 1956. 
В11. Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. – 5-е изд. – М.: Юрайт, 
2012. – 672 с. 
В12. Репин А.М. 
Новый 
метод 
синтеза 
вентильных 
схем 
класса 
Skm(M)lRL. // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы. – 1983.– 
Вып. 8. Ч. 1. – С. 44–61; Ч. 2, С. 62–81. 
В13. Зиновьев Г.С. Электромагнитная совместимость устройств силовой 
электроники (Электроэнергетический аспект). – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
1998. – 91 с. 

В14. Benysek G., Strzelescki R., Zinoviev G.S. Power Electronics in Smart 
Electric Energy Systems. Springer, London, 2008. 
В15. Зиновьев Г.С. Наш путь к силовым электронным трансформаторам. 
Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2014 // Труды 
XII международной конференции (Новосибирск, 2–4 октября 2014 г.) – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. – Т. 7. – С. 135. 
В16. Хохлов Ю.И. Компенсированные выпрямители. – Челябинск: Изд-во 
ЧГТУ, 1995. – 355 с. 
В17. Баев А.Е. Вентильные преобразователи с конденсаторами в силовых 
цепях / А.Е. Баев, Ю.К. Волков, В.П. Долинин, В.К. Корнеев. – М.: Энергия, 
1969.  
В18. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии / 
А. Крогерис, К. Рашевиц, Л. Рутманис и др. – Рига: Зинатне, 1969. – 531 с. 
В19. Вентильные преобразователи переменной структуры / В.Е. Тонкаль, 
В.С. Руденко, В.Я. Жуйков и др. – Киев: Наукова думка, 1989. – 336 с. 
В20. Шидловский А.К. Транзисторные преобразователи с улучшенной 
ЭМС / А.К. Шидловский, Ю.Н. Драбович, Н.С. Комаров, Г.А. Москаленко. – 
Киев: Наукова думка, 1993. – 273 с. 
В21. Кобзев А.В. Модуляционные источники питания РЭА / А.В. Кобзев, 
Г.Я. Михальченко, Н.М. Музыченко. – Томск: Радио и связь, 1990. – 336 с. 
В22. Bhim Singh, Brij N. Singh, Ambrish Chandra, Kamal Al-Haddad, Ashish 
Pandey, and Dwarka P. Kothari, A Review of Three-Phase Improved Power Quality 
AC–DC Converters. IEEE transactions on industrial electronics, vol. 51, no. 3, june 
2004 641-660. 
В23. Johann W. Kolar and Thomas Friedli. The Essence of Three-Phase PFC 
Rectifier Systems. Proceedings of the 33rd IEEE International Telecommunications 
Energy Conference (INTELEC 2011), Amsterdam, Netherlands, October 9-13, 
2011. P. 1–27. 
В24. Зиновьев Г.С. Энергосберегающие выпрямители трехфазного тока на 
базе обращенных автономных инверторов / Г.С. Зиновьев, Н.Н. Лопаткин // 
Вестник УГТУ-УПИ, № 5 (25), 2003, ч. 2.  
В25. Зиновьев Г.С. Энергоэффективные выпрямители трехфазного тока // 
Труды конф. «Техническая термодинамика» / Г.С. Зиновьев, Н.Н. Лопаткин. – 
Алушта, 2004. 
В26. N.N. Lopatkin, G.S. Zinoviev, A.M. Zimin, H. Weiss. Comparison of 
three-phase rectifiers with improved EMC with the mains, Proc. EPE 2004, Riga. 
В27. Singh B., S. Gailora, B. N. Singh, A. Chandra, K. A-Haddad, Multipulse 
AC-DC Converters for Improving Power Quality: A Review. IEEE transactions on 
power electronics, vol. 23, no. 1, 2008, 260–281. 
 

В28. Зиновьев Г.С. Основы преобразовательной техники. Часть 2. Выпрямители с улучшенным коэффициентом мощности / Новосиб. электротехн.  
ин-т, 1971. – 79 с. 
В29. Зиновьев Г.С., Леус Г.С. Повышающе-понижающий ШИМ выпрямитель, Патент РФ на полезную модель № 193360 от 07.05.2019. 
В30. Зиновьев Г.С. Маловентильный выпрямитель для заряда аккумуляторов // науч-техн. конф. «Современные проблемы телекоммуникаций» /  
Г.С. Зиновьев, Д. Кочнев. – Новосибирск: СибГУТИ, 2019. 
 
д-р техн. наук, профессор Г.С. Зиновьев  
 

1. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМЫ ТРЕХФАЗНОГО  
РЕГУЛИРУЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ 
НА ОСНОВЕ ОБРАЩЕННОГО ИНВЕРТОРА 
НАПРЯЖЕНИЯ И ПОНИЖАЮЩЕГО  
DC-DC-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 
 
Цель раздела: исследовать энергетические характеристики системы при работе с замкнутой САР, зависимость коэффициента входной 
мощности преобразователя напряжения от глубины модуляции, коэффициент гармоник входного тока при различных глубинах модуляции 
понижающего преобразователя, активного выпрямителя (рис. 1). 
 

 
Рис. 1. Схема исследуемого преобразователя напряжения 

Т а б л и ц а  1 
Параметры схемы 

Параметр
Значение

Мощность нагрузки, кВт
50

Входное напряжение, В
380

Диапазон выходного напряжения, В
10…700

Частота коммутации, кГц
15

Входная индуктивность Lвх, мкГн
470

Индуктивность входного фильтра Lф, мкГн
45

Емкость C0, мкФ 
220

Индуктивность L1, мкГн
160

Емкость C1, мкФ 
35

Описание схемы 

Использование импульсных преобразователей напряжения в настоящее время более предпочтительно, чем использование преобразователей с естественной коммутацией, так как высокая частота работы силовых ключей позволяет добиться минимальных массогабаритных показателей преобразователя напряжения, получить улучшенный входной коэффициент мощности. На основе таких преобразователей 
напряжения можно строить так называемые «back-to-back» схемы, позволяющие рекуперировать энергию в сеть. 
В настоящем разделе приведено исследование работы выпрямителя 
на основе активного выпрямителя, построенного на базе двухуровневого инвертора напряжения и импульсного понижающего преобразователя напряжения.  
Входной преобразователь напряжения представляет собой двухуровневый инвертор напряжения в обращенном состоянии. Состоит из 
шести силовых полностью управляемых силовых ключей. Особенностью применения этого типа преобразователей является использование 
широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Ее применение позволяет 
снизить массогабаритные показатели реактивных элементов схемы 
(входного фильтра, входного реактора, выходного конденсатора) по 
сравнению с преобразователями с естественной коммутацией, так как 
дает возможность перенести спектр токов и напряжений в более высокий диапазон частот (первая комбинационная группа гармоник в спектре выходного напряжения и входного тока находится на частоте, равной частоте коммутации).  
Такой преобразователь позволяет формировать напряжение звена 
постоянного тока, большее чем 
ф
2,34U
, т. е. обладает свойствами повышения выходного напряжения. Однако ограничением такой схемы 
является невозможность понижать напряжение относительно значения 

ф
2,34U
. В таком случае предлагается в звене постоянного тока установить понижающий преобразователь напряжения, который позволит 
обеспечить заданный рабочий диапазон выходных напряжений. 
Регулирование преобразователя напряжения осуществляется с помощью двух систем управления. Первая система отвечает за управление активным выпрямителем, вторая – за управление понижающим 
преобразователем напряжения. Первая система управления реализована во вращающейся системе координат, позволяет регулировать выходное напряжение АВН, входной ток по оси q и d. Система управле