Силовая электроника. Выпрямители

А. В. Иванов 
СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 
ВЫПРЯМИТЕЛИ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
 

УДК 
621.314 
ББК 
31.264.5 
И20 
Рекомендовано к изданию экспертным советом  
по учебным изданиям ВоГУ 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент кафедры управляющих 
и вычислительных систем ФГБОУ ВО «Вологодский  
государственный университет» С. Б. Федотовский; 
директор ООО «Северэнергопроект» (г. Вологда) А. В. Смирнов 
Иванов, А. В. 
И20 
Силовая электроника. Выпрямители : учебное пособие / А. В. Иванов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2022. - 156 с. : ил., табл.  
ISBN 978-5-9729-1031-1 
Рассмотрены принципы работы электрических преобразователей. Дается характеристика силовых полупроводниковых приборов. Приведены схемы, диаграммы работы, основные характеристики неуправляемых и управляемых выпрямителей. Проработаны 
вопросы динамических свойств выпрямителей. Приводятся примеры решения задач, а также справочная информация по силовым 
тиристорам, предохранителям, трансформаторам и реакторам. 
Для студентов электроэнергетических направлений подготовки. 
УДК 621.314 
ББК 31.264.5 
ISBN 978-5-9729-1031-1 
” Иванов А. В., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 

СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ 
...................................................................................... 5 
1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 
................................................................... 6 
1.1. Классификация полупроводниковых 
 преобразователей .................................................................. 6 
1.2. Принципы работы полупроводниковых  
преобразователей ................................................................... 9 
1.3. Характеристики и параметры полупроводниковых 
 преобразователей ................................................................ 18 
1.4. Силовые полупроводниковые приборы ...................... 19 
2. НЕУПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ .................................. 26 
2.1. Трансформаторы в схемах выпрямителей .................. 26 
2.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель .....   26 
2.3. Однофазный нулевой неуправляемый  
выпрямитель .......................................................................  28 
2.4. Однофазный мостовой неуправляемый  
выпрямитель .......................................................................  43 
2.5. Трехфазный нулевой неуправляемый выпрямитель  46 
2.6. Трехфазный мостовой неуправляемый  
выпрямитель .......................................................................  49 
2.7. Коммутационные процессы в неуправляемых  
выпрямителях. Внешняя характеристика неуправляемых 
выпрямителей .....................................................................  51 
3. УПРАВЛЯЕМЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ 
......................................  55 
3.1. Однофазный нулевой управляемый выпрямитель 
...  55 
3.2. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель 
... 63 
3.3.Трехфазный нулевой управляемый выпрямитель ...... 64 
3.4. Трехфазный мостовой управляемый  
выпрямитель .......................................................................  66 
3.5. Коммутационные процессы в управляемых  
выпрямителях. Внешняя характеристика управляемых 
 выпрямителей ....................................................................  70 
3.6. Высшие гармонические в выпрямленном напряжении 
и первичном токе выпрямителей ........................................72 
3.7. Коэффициент мощности и КПД выпрямителей 
.........75 
3 

3.8. Режим инвертирования в управляемых  
выпрямителях .....................................................................  78 
3.9. Работа однофазного ведомого инвертора с выводом 
 нулевой точки трансформатора ........................................ 84 
3.10. Реверсивные тиристорные преобразователи ..........  90 
3.11. Обобщенные регулировочные характеристики  
реверсивных преобразователей. Зона прерывистого 
тока ......................................................................................  100 
3.12. Виды защит полупроводниковых  
преобразователей ...............................................................  103 
3.13. Системы управления преобразователей 
 с естественной коммутацией. Основные блоки и их  
функции 
...............................................................................  108 
3.14. Управляемые выпрямители, как элемент САР 
.......  116 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................  128 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
...............................  129 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ...............................................................  130 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 ...............................................................  136 
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 ...............................................................  138 
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 ...............................................................  142 
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 ...............................................................  143 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
Дисциплина «Силовая электроника» является одной из основных при подготовке бакалавров и специалистов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» и основывается на 
знаниях высшей математики, теоретических основ электротехники, полупроводниковых приборов, электронных цепей и сигналов. 
Преобразовательные устройства предназначены для 
управления потоком электрической энергии (видом, количеством, 
качеством) с целью регулирования режимов работы различных 
электротехнических устройств. Силовые полупроводниковые 
преобразовательные устройства служат для преобразования электрического тока и напряжения: переменного тока в постоянный, 
постоянного тока в переменный, переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты, постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня  
и т. д. 
Целью настоящего пособия является анализ принципов 
действия основных типов преобразовательных устройств, в частности, выпрямителей, выявления их важнейших характеристик  
и показателей, а также уяснение методов их расчета.  
Учебное пособие состоит из трех разделов: классификация полупроводниковых преобразователей, неуправляемые выпрямители, управляемые выпрямители. Приведены примеры решения задач и справочные данные по силовому электрооборудованию. 
Автор выражает глубокую признательность рецензентам 
рукописи - директору ООО «Северэнергопроект» Смирнову А. В., 
доценту кафедры управляющих и вычислительных систем ВоГУ, 
к. т. н. Федотовскому С.Б. 
5 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 
1.1. Классификация полупроводниковых преобразователей  
Силовая электроника - дисциплина, изучающая принципы действия и особенности преобразователей электрической 
энергии (преобразовательных устройств), применяемых в электроприводе, электрической тяге, электротермии, электротехнологии, электроэнергетике и т. д. 
Преобразовательное устройство предназначено для 
управления потоком электрической энергии (его видом, количеством, качеством), подводимой из сети, с целью регулирования 
режимов работы различных электротехнических устройств. 
Управление - это регулирование по требуемому закону 
одной или нескольких координат (напряжение, ток, ЭДС). 
Различают два способа управления: 
 параметрический - способ управления осуществляется 
с помощью изменения параметров цепей (активных  
и реактивных сопротивлений и т. п.). Характеризуется 
низким КПД и дискретностью; 
 энергетический - способ управления осуществляется  
с помощью регулирования количества и качества подводимой электрической энергии. 
К преобразователям, осуществляющим энергетический 
способ управления, относятся: электромашинные, электромагнитные, полупроводниковые. Первые два вида преобразователей 
имеют существенные недостатки и в настоящее время применяются достаточно редко. Их изучение не входит в рамки настоящей дисциплины. Последний представляет собой совокупность 
преобразователей электрической энергии, в основе которых лежат схемы с использованием полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров, транзисторов). 
В любом полупроводниковом преобразователе (ПП), как 
правило, можно выделить две части (рис. 1.1): 
6 

силовую часть, в которой осуществляются все основные 
энергетические преобразования и передача энергии от первичного источника к нагрузке; 
систему управления, в которой формируются сигналы 
управления работой силовых регулирующих элементов.  
Поскольку через силовую часть осуществляется основная 
энергопередача, то ее элементы (активные регулирующие - транзисторы или тиристоры; энергоемкие элементы - трансформаторы, 
реакторы и конденсаторы сглаживающих фильтров) имеют относительно большую установленную мощность и определяют габариты всего ПП. В системе управления происходит информационная обработка сигналов. Поэтому, выделяющиеся в ее элементах 
мощности и, следовательно, габариты значительно меньше, чем  
в силовой части. 
 

Рис. 1.1. Структурная схема ПП 
Все ПП как преобразователи параметров электрической 
энергии можно классифицировать по следующим признакам преобразования (табл. 1). 
Кроме того, преобразование может осуществляться в несколько этапов. 
 
7 

 Таблица 1  
Классификация ПП 
  
На входе 
Вид  
энергии 
Постоянного 
тока (=) 
Переменного тока (a) 
= 
Преобразователь 
постоянного 
напряжения 
Выпрямитель 
Реверсивный выпрямитель 
= 
 -, 
(- )
 
На выходе 
Реверсивный 
преобразователь 
постоянного 
напряжения 
a 
Автономный  
инвертор 
fвх=fвых 
Преобразователь 
переменного 
напряжения 
fвхfвых 
Непосредственный 
преобразователь  
частоты 

Знак « -, (- )» означает возможность изменения полярности выходного постоянного напряжения. 
 
В этом случае преобразователи имеют промежуточные 
звенья и называются комбинированными, например: 
преобразователи переменного напряжения в переменное 
с промежуточным звеном постоянного тока; 
преобразователи постоянного напряжения в постоянное с 
промежуточным звеном переменного тока. 
 
8 

1.2. Принципы работы полупроводниковых преобразователей 
Преобразователь постоянного напряжения (ППН) -  
электротехническое устройство, предназначенное для регулирования среднего значения постоянного напряжения на нагрузке 
при постоянном напряжении источника. 
ППН служит для питания нагрузки постоянным напряжением Uн, отличающимся по величине от напряжения источника Е 
(рис. 1.2, а). ППН основаны на использовании импульсных методов регулирования постоянного напряжения. Поэтому их называют импульсными преобразователями постоянного напряжения 
(ИППН). Выходное напряжение таких преобразователей характеризуется 
последовательностью 
импульсов 
прямоугольной 
формы с длительностью tи и паузой tп, амплитуда которых близка 
к напряжению питания Е (рис. 1.2, б). Выходное напряжение преобразователя uн характеризуется средним значением Uн. Требуемого качества выходного напряжения с точки зрения пульсаций 
добиваются включением сглаживающего фильтра между выходом преобразователя и нагрузкой. 
 
ИППН
Е
UН
а)
U
E
UН
t
0
tП
tИ
Т
б)
 
Рис. 1.2. Принцип действия ППН: 
а - ИППН; б - диаграмма выходного напряжения  
9 

Импульсный метод регулирования постоянного напряжения имеет следующие разновидности. 
Широтно-импульсный метод регулирования (ШИР) осуществляется изменением длительности (ширины) выходных импульсов tи (рис. 1.3, а) при неизменном периоде их следования  
(Т = const, частота f = 1/T = const). Среднее значение выходного 
напряжения преобразователя при широтно-импульсном регулировании связано с напряжением питания соотношением 
 
н
и
t
U
Е
Е
T
J
 
 
, 
(1.1) 
 
где  J = tи/T - коэффициент регулирования (преобразования). 
 
U
U
Т
tU
Т1
tU1
UН
U
t
U
t
 
T2
UН
t
t
tU2
а)
б)
 
Рис. 1.3. Принципы импульсного регулирования:  
а - ШИР; б - ЧИР  
В соответствии с (1.1) диапазон регулирования выходного напряжения ИППН с ШИР находится в пределах от нуля 
(tи = 0, J  = 0) до Е (tи = Т, J  =1). 
При частотно-импульсном методе регулирования (ЧИР) 
изменение выходного напряжения производится за счет изменения частоты следования выходных импульсов (f = 1/Т = var),  
10