Силовая преобразовательная техника

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
ЮЖНО-УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
621.314.5
Г22 
В.Р. Гасияров, А.С. Маклаков 
СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Учебное пособие 
Челябинск 
2019 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Южно-Уральский государственный университет 
Кафедра «Мехатроника и автоматизация» 
 
 
621.314.5 
Г22 
 
 
 
 
 
 
 
В.Р. Гасияров, А.С. Маклаков 
 
СИЛОВАЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Челябинск 
Издательский центр ЮУрГУ 
2019 

 
УДК 621.314.5 
        Г22 
Одобрено 
Научно-методическим советом 
Южно-Уральского государственного университета 
(национального исследовательского университета) 
 
 
Рецензенты: 
Анвар Сабулханович Сарваров, доктор техн. наук, профессор, 
Магнитогорский государственный технический университет, 
кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники  
 
Алексей Владимирович Белый, кандидат техн. наук  
Национальный исследовательский московский государственный 
строительный университет, Институт инженерноэкологического строительства и механизации,  
кафедра автоматизации и электроснабжения  
 
 
        Гасияров, В.Р. 
Г22  
Силовая преобразовательная техника: учебное пособие / 
В.Р. Гасияров, А.С. Маклаков – Челябинск: Издательский 
центр ЮУрГУ, 2019. – 102 с. 
 
Предлагаемое учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по направлениям подготовки «Мехатроника и робототехника» и «Электро- и теплотехника». 
Оно соответствует содержанию лекций, читаемых студентам по одноименному курсу. В учебном пособии рассмотрены принципы преобразования электрической энергии – выпрямления, инвертирования и преобразования частоты. Приведены основные схемы выпрямителей и преобразователей частоты и проанализирован принцип их работы. При изложении 
материала особое внимание уделено физической стороне принципа работы того или иного устройства, анализу основных характеристик и энергетических показателей.  
В конце каждой главы даны контрольные вопросы, помогающие усвоить материал и обратить внимание на принципиальные вопросы при анализе работы устройств. 
 
УДК 621.314.5 
 
ISBN 978-5-696-05073-7             © Издательский центр ЮУрГУ, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие...................................................................................... 4 
Введение............................................................................................ 5 
В.1. Краткая история развития силовой преобразовательной техники................................................................................. 5 
В.2. Классификация полупроводниковых преобразователей 
постоянного и переменного тока.............................................. 7 
В.3. Элементная база силовых схем полупроводниковых 
преобразователей…………….................................................... 8 
Контрольные вопросы....................................................................... 13 
Глава 1. Выпрямители 
 
1.1. Принцип выпрямления переменного тока в постоянный…..... 14 
1.2. Трехфазный мостовой выпрямитель на тиристорах............... 21 
1.3. Особенности прерывистого режима работы выпрямителей... 25 
1.4. Инверторный режим работы тиристорного выпрямителя....... 29 
1.5. Системы управления тиристорными выпрямителями. Регулировочные характеристики............................................................. 33 
1.6. Энергетические показатели выпрямителей............................. 44 
1.7. Пути улучшения энергетических показателей тиристорных 
выпрямителей и уменьшения их вредного влияния на питающую сеть............................................................................................. 47 
Контрольные вопросы....................................................................... 51 
Глава 2. Преобразователи частоты 
 
2.1. Классификация типовых преобразователей частоты............. 52 
2.1.1. Преобразователи частоты с непосредственной связью.. 52 
2.1.2. Преобразователи частоты с промежуточным звеном 
постоянного тока......................................................................... 59 
2.2. Устройство и принцип действия автономного инвертора....... 64 
2.3. Принцип синусоидальной ШИМ................................................. 68 
2.4. Принцип пространственно-векторной ШИМ............................. 72 
2.5. Устройство и принцип действия активного выпрямителя....... 78 
2.6. Увеличение мощности преобразователей частоты................. 80 
2.7. Принцип работы трехуровневой мостовой схемы преобразователя с фиксированной средней точкой.................................... 84 
2.8. Звено постоянного тока….......................................................... 91 
2.9. Снабберы.................................................................................... 93 
2.10. Основные методы управления преобразователями частоты.. 96 
2.11. Проблемы, связанные с силовой преобразовательной техникой................................................................................................... 98 
Контрольные вопросы....................................................................... 100 
Библиографический список.............................................................. 102 

Предисловие 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие представляет собой конспект лекций, разработанный в соответствии с 
Государственными образовательными стандартами Российской 
Федерации направления подготовки бакалавров 15.03.06 «Мехатроника и робототехника» и аспирантов 13.06.01 «Электро- и 
теплотехника». 
Материал учебного пособия разбит на две главы. В первой 
главе рассмотрен принцип выпрямления переменного тока в постоянный на примере диодных и тиристорных схем выпрямления. 
Подробно рассмотрены принципы работы тиристорных выпрямителей и систем импульсно-фазового управления. Проанализированы инверторный режим работы и энергетические показатели тиристорных выпрямителей. Во второй главе рассмотрены типовые 
схемы преобразователей частоты, приведены их классификация, 
достоинства и недостатки. Подробно проанализирован принцип 
работы автономного инвертора напряжения на основе базового 
закона коммутации. Рассмотрены синусоидальная и пространственно-векторная широтно-импульсные модуляции. Подробно 
описан принцип работы трёхуровневого преобразователя частоты. 
Уделено внимание вопросам повышения мощности преобразователей и методам их управления.  
Вопросы курса изложены с учетом наличия знаний у студентов 
дисциплин “Теоретические основы электротехники” и “Физические 
основы электроники” в объеме, предусмотренном требованиями 
Государственного образовательного стандарта. 
Лекции не содержат ссылок на литературу, однако все литературные источники, которые авторы использовали при написании 
пособия, приведены в конце книги. Поэтому при возникновении каких-либо вопросов в процессе изучения курса студентам необходимо пользоваться указанной литературой. 
Авторы надеются, что настоящее учебное пособие окажет достойную помощь студентам при изучении соответствующего курса, 
а также будет полезно в их дальнейшей профессиональной деятельности. 

ВВЕДЕНИЕ 
Современный этап развития промышленности и энергетики 
характеризуется значительным расширением области применения 
силовой преобразовательной техники. Это связано, прежде всего, 
с необходимостью повышения качества электрической энергии и 
энергосбережения в таких областях, как промышленные электроприводы, возобновляемые источники энергии и системы распределённого электроснабжения. 
В настоящее время разработаны силовые полупроводниковые 
преобразователи постоянного и переменного тока, обеспечивающие 
качественное преобразование и управление электрической энергией 
с высокой эффективностью. Силовые полупроводниковые преобразователи постоянного и переменного тока – это устройства силовой 
преобразовательной техники, выполненные на основе силовых полупроводниковых приборов – диодов, тиристоров и транзисторов, 
работающих в ключевом режиме (открыт, закрыт). 
Современные электротехнические системы немыслимы без 
применения силовых полупроводниковых преобразователей, образуя единую мехатронную систему – электрическая машина, полупроводниковый преобразователь, устройство управления и исполнительный механизм. 
 
В.1. Краткая история развития 
силовой преобразовательной техники 
Силовая преобразовательная техника – наука достаточно молодая, развитие которой определялось развитием электронных 
приборов. Свою историю эта наука начинает в начале 1900-х годов, когда в США Купером Юитом были разработаны стеклянные 
ртутные выпрямители, ставшие по существу родоначальниками 
силовых приборов для энергетической электроники – устройств 
преобразовательной техники. Первый металлический ртутный выпрямитель появился в Германии в 1911 году его создатель – инженер Б. Шеффер. В нашей стране выпуск металлических ртутных 
выпрямителей был начат в 1924 году и уже в 1930-х годах ртутные 
выпрямители получили массовое внедрение. 
Трудно переоценить в истории силовой электроники факт появления транзисторов. В 1948 году Уолтером Браттейном, Джоном 
Бардиным и Вильямом Шокли был изобретен биполярный транзистор. За него авторам была присуждена Нобелевская премия. В 
1958 году польскому ученому Станиславу Тешнеру, работавшему 
во Франции, удалось создать пригодный для практического применения полевой транзистор. 

Введение 
 
В том же 1958 году фирмой Westinghouse были разработаны 
тиристоры – мощные полупроводниковые приборы, пришедшие на 
смену управляемым ртутным выпрямителям и совершившие подлинную революцию в управляемом электроприводе. Достаточно 
сказать, что ртутный вентиль на 1000 А имел массу 300 кг, а тиристор на тот же ток вместе с охладителем всего 5 кг. В СССР тиристоры серийно начали выпускаться уже в 1961 году. Система тиристорный преобразователь – двигатель постоянного тока вплоть до 
конца ХХ века была преобладающим техническим решением автоматизированного электропривода. 
Создание в начале 1980-х годов полностью управляемого полупроводникового прибора – IGBT транзистора (запатентован 
фирмой International Rectifier в 1983 году) привело к вытеснению в 
начале XXI века электроприводов постоянного тока электроприводами переменного тока, построенными по системе полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный короткозамкнутый 
двигатель. Предпосылками этому явились простота конструкции, 
высокая надежность и высокие эксплуатационные характеристики 
асинхронного двигателя, изобретенного Доливо-Добровольским 
еще в конце XIX века. 
Следует отметить, что развитие энергетической электроники 
определялось не только развитием силовых приборов, но и систем 
управления. Создание операционных усилителей связано с именем Роберта Видлара, который определил на многие годы структуру аналоговых интегральных микросхем. В 1959 г. Джек Килби и 
Роберт Нойс изобрели первую цифровую интегральную микросхему. 
Первые микропроцессоры появились в начале 70-х годов. Они 
были разработаны фирмой Intel под руководством Марчиана Хоффа. Конец XX и начало XXI века – это время расцвета компьютерной техники и ее широчайшее внедрение во все области деятельности человека, в частности, в виде микроконтроллеров в системах 
управления полупроводниковыми преобразователями различного 
назначения. 
Рост степени интеграции цифровых элементов систем управления сделали по сути необратимой массовую замену аналоговых 
систем управления на системы прямого цифрового управления. 
Сегодня встроенные системы управления интегрируются вместе с 
силовыми преобразователями и исполнительными двигателями в 
одно целое – мехатронные модули движения. 
 

В.2. Классификация полупроводниковых преобразователей 
постоянного и переменного тока 
Полупроводниковые преобразователи можно классифицировать по ряду признаков, а именно (рис. В.1): 
1. По связи с сетью они делятся на преобразователи: 
- ведомые сетью, в которых процессы происходят синхронно с частотой сети; 
- автономные, которые либо не связаны с сетью, либо не зависят 
от частоты сети. 
2. По назначению преобразователи делятся: 
- на выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный; 
- на инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный; 
- на преобразователи частоты, преобразующие переменный ток 
одной частоты в переменный ток другой частоты; 
- на преобразователи переменного напряжения, изменяющие величину переменного напряжения (при этом частота и число фаз 
остаются неизменными); 
- на преобразователи числа фаз, изменяющие число фаз при 
неизменной частоте; 
- на компенсаторы и активные фильтры, повышающие качество 
напряжения в сети; 
- на преобразователи постоянного напряжения, изменяющие величину постоянного напряжения; 
- на генераторы импульсов, формирующие импульсы произвольной 
формы и частоты. 
Полупроводниковые преобразователи
По назначению
По связи с сетью
выпрямители
ведомые
автономные
преобразователи переменного напряжения
инверторы
преобразователи постоянного напряжения
преобразователи 
частоты
преобразователи числа фаз
компенсаторы и активные фильтры
генераторы импульсов  
Рис. В.1. Классификация полупроводниковых преобразователей 

Введение 
 
Все устройства преобразовательной техники состоят из силовой части и системы управления. Элементами силовой части являются полупроводниковые приборы, трансформаторы, реакторы, 
конденсаторы. Система управления силовой части может быть 
аналоговой, цифровой или комбинированной. 
 
В.3. Элементная база силовых схем  
полупроводниковых преобразователей  
Для коммутации силовой цепи трехфазного тока применяют 
различные нелинейные полупроводниковые приборы – диоды, тиристоры и мощные транзисторы. В настоящее время эти компоненты выпускаются многими отечественными и зарубежными фирмами, крупнейшими из которых являются: American Microsemiconductor, Digi-Key, ON Semiconductor, Onlinecomponents, Infineon Technologies, Eupec, IXYS, ABB, Dynex Semiconductor, Mitsubishi Electric 
& Electronics USA, NEC Electronics, Westcode Semiconductors. 
Все перечисленные полупроводниковые приборы обладают 
общим свойством односторонней проводимости – имеют высокую 
электрическую проводимость на прямой ветви вольт-амперной характеристики и высокое сопротивление на ее обратной ветви. Известно, что диод находится в открытом состоянии исключительно 
при приложении к его электродам (анод-катод) положительного – 
прямого напряжения (см. рис. В.2). Как следствие, он имеет существенную функциональную особенность, которая ограничивает область его применения в силовых электронных преобразователях – 
это невозможность управления моментами включения и выключения (открытия и закрытия). Частично от этого недостатка избавлен 
полууправляемый прибор – тиристор, имеющий четырехслойную 
полупроводниковую структуру (см. рис. В.3) с чередующимися типами электропроводности и тремя выводами (анод, катод и управляющий электрод). 
Такой прибор, выполненный в традиционном исполнении (SCR 
– Silicon Control Reictifier), способен под действием управляющего 
сигнала переходить из закрытого в открытое состояние. Включается тиристор при подаче импульса на управляющий электрод и 
прямом напряжении между анодом и катодом. После снятия 
управляющего импульса тиристор остается в открытом состоянии 
до тех пор, пока потенциал анода выше потенциала катода или 
прямой ток не снизится ниже небольшого порогового значения.  
Напряжение на открытом тиристоре составляет 1...2 В.  

Анод
I
I
3
р
пр
U
∆
+
-
1
J
к
а
проб
U
n
+
-
2
J
уэ
а
к
пр
I
р
Управляющий
электрод
3
J
n
ак
U
ак
U
0
Iобр →
2
1
0
U
0
1
2
вкл
вкл
вкл
U
U
U
>
>
Катод
+
-
б
а
В
0
,
1
Uпр ≤
max
обр
U
Рис. В.2. Вольт-амперная
характеристика диода
Рис. В.3. Структура (а) и вольт-амперная
характеристика (б) тиристора
 
Очевидным функциональным недостатком традиционного тиристора является невозможность его принудительного отключения. 
Первые тиристоры, в которых эта проблема была решена путем 
подачи отрицательного импульсов тока на управляющий электрод, 
носят название запираемых GTO (Gate Turn Off) тиристоров. 
Запираемый тиристор – полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого также лежит классическая четырёхслойная структура. На рис. В.4 приведены условное обозначение и структурная схема GTO тиристора. Подобно обычному тиристору он имеет катод, анод и управляющий электрод. На схематичном разрезе структуры тиристора (рис. В.4, б) нижний вывод – 
анодный. Анод контактирует со слоем р, который имеет шунты (зоны n), соединяющие базу с анодным контактом через небольшие 
распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способностью. 
Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n. Затем снизу вверх следуют: базовый слой n, базовый слой 
р (имеющий вывод управляющего электрода), слой n (контактирующий с катодным выводом). Четыре слоя образуют три р-n перехода J1, J2 и J3 (см. рис. В.4, б).  
Следует отметить, что для GTO тиристоров нормируются скорости нарастания прямого напряжения dU/dt и прямого тока dI/dt. 
Поэтому для них требуются специальные защитные цепи (рис. В.5). 
Дроссель L ограничивает скорость нарастания прямого тока при 
включении тиристора, конденсатор С соответственно ограничивает 
скорость нарастания прямого напряжения. Кроме конденсаторов и 
дросселей, в защитных цепях используют дополнительные эле