Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники

Книги
Постоянно пополняющаяся подборка книг для самодельщиков и не только.

Ю.К. Розанов - Москва - Энергоатомиздат, 1992 г.

Файл представлен в DJVU-формате


Содержание:

  • Предисловие
  • Введение
  • Глава первая. Основные элементы силовой электроники
    • 1.1. Силовые полупроводниковые приборы
      • 1.1.1. Силовые диоды
      • 1.1.2. Силовые транзисторы
      • 1.1.3. Тиристоры
      • 1.1.4. Применение силовых полупроводниковых приборов
    • 1.2. Трансформаторы и реакторы
    • 1.3. Конденсаторы
  • Глава вторая. Выпрямители
    • 2.1. Общие сведения
    • 2.2. Основные схемы выпрямления
      • 2.2.1. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой
      • 2.2.2. Однофазная мостовая схема
      • 2.2.3. Трехфазная схема со средней точкой
      • 2.2.4. Трехфазная мостовая схема
      • 2.2.5. Многомостовые схемы
      • 2.2.6. Гармонический состав выпрямленного напряжения и первичных токов в схемах выпрямления
    • 2.3. Коммутация и режимы работы выпрямителей
    • 2.4. Энергетические характеристики выпрямителей и способы их улучшения
      • 2.4.1. Коэффициент мощности и КПД выпрямителей
      • 2.4.2. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
    • 2.5. Особенности работы выпрямителей на емкостную нагрузку и противо-ЭДС
    • 2.6. Сглаживающие фильтры
    • 2.7. Работа выпрямителя от источника соизмеримой мощности
  • Глава третья. Инверторы и преобразователи частоты
    • 3.1. Инверторы, ведомые сетью
      • 3.1.1. Однофазный инвертор со средней точкой
      • 3.1.2. Трехфазный мостовой инвертор
      • 3.1.3. Баланс мощностей в инверторе, ведомом сетью
      • 3.1.4. Основные характеристики и режимы работы инверторов, ведомых сетью
    • 3.2. Автономные инверторы
      • 3.2.1. Инверторы тока
      • 3.2.2. Инверторы напряжения
      • 3.2.3. Инверторы напряжения на тиристорах
      • 3.2.4. Резонансные инверторы
    • 3.3. Преобразователи частоты
      • 3.3.1. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока
      • 3.3.2. Преобразователи частоты с непосредственной связью
    • 3.4. Регулирование выходного напряжения автономных инверторов
      • 3.4.1. Общие принципы регулирования
      • 3.4.2. Регулирующие устройства инверторов тока
      • 3.4.3. Регулирование выходного напряжения посредством ши-i рбтно-импульсной модуляции (ШИМ)
      • 3.4.4. Геометрическое сложение напряжений
    • 3.5. Способы улучшения формы выходного напряжения инверторов и преобразователей частоты
      • 3.5.1. Влияние несинусоидальности напряжения на потребителей электроэнергии
      • 3.5.2. Выходные фильтры инверторов
      • 3.5.3. Уменьшение высших гармоник в выходном напряжении без применения фильтров
  • Глава четвертая. Регуляторы-стабилизаторы и статические контакторы
    • 4.1. Регуляторы-стабилизаторы переменного напряжения
    • 4.2. Регуляторы-стабилизаторы постоянного тока
      • 4.2.1. Параметрические стабилизаторы
      • 4.2.2. Стабилизаторы непрерывного действия
      • 4.2.3. Импульсные регуляторы
      • 4.2.4. Развитие структур импульсных регуляторов
      • 4.2.5. Тиристорно-конденсаторные регуляторы постоянного тока с дозированной передачей энергии в нагрузку
      • 4.2.6. Комбинированные преобразователи-регуляторы
    • 4.3. Статические контакторы
      • 4.3.1. Тиристориые контакторы переменного тока
      • 4.3.2. Тиристорные контакторы постоянного тока
  • Глава пятая. Системы управлении преобразовательными устройствами
    • 5.1. Общие сведения
    • 5.2. Структурные схемы систем управления преобразовательных устройств
      • 5.2.1. Системы управления выпрямителей и зависимых инверторов
      • 5.2.2. Системы управления преобразователей частоты с непосредственной связью
      • 5.2.3. Системы управления автономных инверторов
      • 5.2.4. Системы управления регуляторов-стабилизаторов
    • 5.3. Микропроцессорные системы в преобразовательной технике
  • Глава шестая. Применение силовых электронных устройств
    • 6.1. Области рационального применения
    • 6.2. Общие технические требования
    • 6.3. Защита в аварийных режимах
    • 6.4. Эксплуатационный контроль и диагностика технического состояния
    • 6.5. Обеспечение параллельной работы преобразователей
    • 6.6. Электромагнитные помехи
  • Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

В электронной технике выделяют силовую и информационную электронику. Силовая электроника первоначально возникла как область техники, связанная преимущественно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволили значительно расширить функциональные возможности, силовых электронных устройств и соответственно области их применения.

Устройства современной силовой электроники, позволяют управлять потоками электроэнергии не только в целях ее преобразования из одного вида в другой, но и распределения, организации быстродействующей защиты электрических цепей, компенсации реактивной мощности и др. Эти функции, тесно связанные с традиционными задачами электроэнергетики, определили и другое название силовой электроники - энергетическая электроника. Информационная электроника преимущественно используется для управления информационными процессами. В частности, Устройства информационной электроники являются основой систем управления и регулирования различными объектами, в том числе и аппаратами силовой электроники.

Однако несмотря на интенсивное расширение функций аппаратов силовой электроники и областей их применения основные научно-технические проблемы и задачи, решаемые в области силовой электроники, связаны с. преобразованием электрической энергии.

Электроэнергия используется в разных формах: в виде переменного тока с частотой 50 Гц, в виде постоянного тока (свыше 20% всей вырабатываемой электроэнергии), а также переменного тока повышенной частоты или токов специальной формы (например, импульсной и др.). Это различие в основном обусловлено многообразием и спецификой потребителей, а в ряде случаев (например, в системах автономного электроснабжения) и первичных источников электроэнергии.

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

  • 1) выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный);
  • 2) инвертирование (преобразование постоянного тока в переменный);
  • 3) преобразование частоты (преобразование переменного тока одной частоты в переменный ток другой частоты).

Существует- также ряд других, менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаях используется комбинация нескольких видов преобразования. Кроме того, электроэнергия может преобразовываться с целью улучшения качества ее параметров, например для стабилизации напряжения или частоты переменного тока.

Преобразование электроэнергии может производиться различными способами. В частности, традиционным для электротехники является преобразование посредством электромашинных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объединенных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей, инерционность и др. Поэтому параллельно с развитием электромашинного преобразования в электротехнике большое внимание уделялось разработке способов статического преобразования» электроэнергии. Большинство таких разработок основывалось на использовании нелинейных элементов электронной техники. Основными элементами силовой электроники, ставшими базой для создания статических преобразователей, явились полупроводниковые приборы. Проводимость большинства полупроводниковых приборов в существенной мере зависит от направления электрического тока: в прямом направлении их проводимость велика, в обратном-мала (т. е. полупроводниковый прибор имеет два явно выраженных состояния: открытое и закрытое). Полупроводниковые приборы бывают неуправляемыми и управляемыми. В последних можно управлять моментом наступления их высокой проводимости (включением) посредством управляющих импульсов малой мощности. Первыми отечественными работами, посвященными исследованию полупроводниковых приборов и их использованию для преобразования электроэнергии были работы академиков В. Ф. Миткевича, Н. Д. Папелекси и др.

В 30-х годах в СССР и за рубежом были распространены газоразрядные приборы (ртутные вентили, тиратроны, газотроны и др.). Одновременно с освоением газоразрядных приборов развивалась теория преобразования электроэнергии. Были разработаны основные типы схем и проведены обширные исследования электромагнитных процессов, протекающих при выпрямлении и инвертировании переменного тока. В это же время появились первые работы по анализу схем автономных инверторов. В развитии теории ионных преобразователей большую роль сыграли работы советских ученых И. Л. Каганова, М. А. Чернышева, Д. А. Завалишина, а также и зарубежных: К. Мюллер-Любека, М. Демонтвинье, В. Шилинга и др.

Новый этап в развитии преобразовательной техники начался с конца 50-х годов, когда появились мощные полупроводниковые приборы - диоды и тиристоры. Эти приборы, разработанные на основе кремния, по своим техническим характеристикам намного превосходят газоразрядные приборы. Они обладают малыми габаритами и массой, имеют высокое значение КПД, обладают быстродействием и повышенной надежностью при работе в широком температурном диапазоне.

Использование силовых полупроводниковых приборов существенным образом повлияло на развитие силовой электроники. Они стали основой для разработки высокоэффективных преобразовательных устройств всех типов. В этих разработках были приняты многие принципиально новые схемотехнические и конструктивные решения. Освоение промышленностью силовых полупроводниковых устройств электроэнергии интенсифицировало проведение в этой области научно-исследовательских работ и создание новых технологий. С учетом специфики силовых полупроводниковых приборов были уточнены старые и разработаны новые методы анализа схем. Значительно расширились классы схем автономных инверторов, преобразователей частоты, регуляторов постоянного тока и многие другие, а также появились новые виды устройств силовой электроники-статические контакторы с естественной и искусственной коммутацией, тиристорные компенсаторы реактивной мощности, быстродействующие аппараты защиты с ограничителями напряжения и др.

Одной из основных областей эффективного использования силовой электроники стал электропривод. Для электропривода постоянного тока разработаны тиристорные агрегаты и комплектные устройства, успешно используемые в металлургии, станкостроении, на транспорте и других отраслях промышленности. Освоение тиристоров обусловило значительный прогресс в области регулируемого электропривода переменного тока.

Созданы высокоэффективные устройства, преобразующие ток промышленной частоты в переменный ток регулируемой частоты для управления скоростью электродвигателей. Для различных областей техники разработано много типов преобразователей частоты со стабилизированными выходными параметрами. В частности, для индукционного нагрева металла созданы высокочастотные мощные тиристорные агрегаты, дающие большой технико-экономический эффект за счет увеличения ресурса их работы по сравнению с электромашинными агрегатами.

На основе внедрения полупроводниковых преобразователей была проведена реконструкция электрических подстанций для подвижного электротранспорта. Значительно улучшено качество некоторых технологических процессов в электрометаллургической и химической отраслях промышленности за счет внедрения выпрямительных агрегатов с глубоким регулированием выходного напряжения и тока.

Достоинства полупроводниковых преобразователей определили их широкое применение в системах бесперебойного электроснабжения. Расширилась область применения силовых электронных устройств в сфере бытовой электроники (регуляторы напряжения и др.).

С начала 80-х годов, благодаря интенсивному развитию электроники, начинается создание нового поколения изделий" силовой электроники. Базой для него явились разработка и освоение промышленностью новых типов силовых полупроводниковых приборов: запираемых тиристоров, биполярных транзисторов, МОП-транзисторов и др. Одновременно существенно повысились быстродействие полупроводниковых приборов, значения предельных параметров диодов и тиристоров, развились интегральные и гибридные технологии изготовления полупроводниковых приборов различных типов, начала широко внедряться микропроцессорная техника для управления и контроля преобразовательными устройствами.

Использование новой элементной базы позволило принципиально улучшить такие важнейшие технико-экономические показатели, как КПД, удельные значения массы и объема, надежность, качество выходных параметров и др. Определилась тенденция повышения частоты преобразования электроэнергии. В настоящее время разработаны миниатюрные вторичные источники питания малой и средней мощности с промежуточным преобразованием электроэнергии на частотах сверхзвукового диапазона. Освоение высокочастотного (свыше 1 мГц) диапазона привело к необходимости решения комплекса научно-технических проблем по конструированию преобразовательных устройств и обеспечению их электромагнитной совместимости в составе технических систем. Получаемый за счет перехода на повышенные частоты технико-экономический эффект полностью компенсировал затраты на решение этих задач. Поэтому в настоящее время тенденция создания многих типов преобразовательных устройств с промежуточным высокочастотным звеном сохраняется.

Следует отметить, что использование полностью управляемых быстродействующих полупроводниковых приборов в традиционных схемах существенно расширяет их возможности в обеспечении новых режимов работы и, следовательно, новых функциональных свойств изделий силовой электронной техники.



Дата: 13.02.12 в 12:00
Прочтений: 10979

12.10.2017

А Вы знаете основы силовой электроники?


Мы можем проследить подавляющее продвижение в этом вопросе к разработке коммерческих тиристоров или кремниевых выпрямителей (SCR) компании General Electric Co.

Концепция силовой электроники

Силовая электроника — одна из современных тем электротехники, которая в последнее время добилась больших успехов и оказала влияние на жизнь человека практически во всех сферах. Мы сами себя используем так много силовых электронных приложений в нашей повседневной жизни, даже не осознавая этого. Теперь возникает вопрос: «Что такое силовая электроника?»

Мы можем определить силовую электронику как предмет, который представляет собой гибрид энергетики, аналоговой электроники, полупроводниковых приборов и систем управления. Мы основываем основы каждого субъекта и применяем его в объединенной форме, чтобы получить регулируемую форму электрической энергии. Электрическая энергия сама по себе не применима до тех пор, пока она не превратится в осязаемую форму энергии, такую ​​как движение, свет, звук, тепло и т. Д. Чтобы регулировать эти формы энергии, эффективным способом является регулирование самой электрической энергии, и эти формы содержание субъектной силовой электроники.

Мы можем проследить подавляющее продвижение в этом вопросе к разработке коммерческих тиристоров или кремниевых выпрямителей (SCR) компании General Electric Co. в 1958 году. До этого контроль над электрической энергией осуществлялся главным образом с использованием тиратронов и выпрямителей ртутной дуги, которые работают на принцип физических явлений в газах и парах. После SCR появилось много мощных электронных устройств, таких как GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT, IGCT и так далее. Эти устройства рассчитаны на несколько сотен вольт и ампер в отличие от устройств уровня сигнала, работающих на нескольких вольтах и ​​амперах.

Для достижения цели силовой электроники устройства работают как не более чем переключатель. Все силовые электронные устройства действуют как переключатель и имеют два режима, то есть ON и OFF. Например, BJT (Bipolar Junction Transistor) имеет три области работы в отключенных характеристиках выходных характеристик, активных и насыщенных. В аналоговой электронике, где BJT должен работать как усилитель, схема сконструирована таким образом, чтобы смещать ее в активную область работы. Однако в силовой электронике BJT будет работать в области отсечки, когда он выключен, и в области насыщения, когда он включен. Теперь, когда устройства должны работать как коммутатор, они должны следовать основной характеристике коммутатора, то есть когда переключатель включен, он имеет нулевое падение напряжения на нем и передает через него полный ток, а когда он находится в состоянии ВЫКЛ, он имеет полное падение напряжения на нем и нулевой ток, протекающий через него.

Теперь, поскольку в обоих режимах величина V или I равна нулю, мощность переключателя также всегда равна нулю. Эта характеристика легко визуализируется в механическом переключателе, и то же самое необходимо соблюдать и в силовом электронном переключателе. Однако практически всегда существует ток утечки через устройства, когда он находится в состоянии ВЫКЛ, т.е. Ileakage ≠ 0, и всегда есть перепад напряжения в состоянии ВКЛ, то есть Von ≠ 0. Однако величина Von или Ileakage очень меньше, и, следовательно, мощность через устройство также очень мала, в порядке нескольких милливольт. Эта мощность рассеивается в устройстве, и поэтому надлежащая эвакуация тепла с устройства является важным аспектом. Помимо этих потерь состояния состояния и состояния OFF, есть также потери переключения в силовых электронных устройствах. Это происходит главным образом, когда коммутатор переключается из одного режима в другой, а V и I через устройство меняются. В силовой электронике оба потерь являются важными параметрами любого устройства и необходимы для определения его номинальных значений напряжения и тока.

Только силовые электронные устройства не так полезны в практических применениях и поэтому требуют разработки с цепью вместе с другими поддерживающими компонентами. Эти поддерживающие компоненты похожи на часть принятия решения, которая управляет силовыми электронными переключателями для достижения желаемого результата. Это включает в себя схему обжига и цепь обратной связи. На приведенной ниже блок-схеме показана простая силовая электронная система.

Блок управления принимает выходные сигналы от датчиков и сравнивает их со ссылками и соответственно вводит входной сигнал в схему обжига. Схема обжига в основном представляет собой схему генерации импульсов, которая дает импульсный выход таким образом, чтобы управлять силовыми электронными переключателями в блоке главной цепи. Конечным результатом является то, что нагрузка получает требуемую электрическую мощность и, следовательно, обеспечивает желаемый результат. Типичным примером вышеупомянутой системы было бы управление скоростью двигателей.

В основном существует пять типов силовых электронных схем, каждый из которых имеет разные целевые функции:

  1. Выпрямители — преобразует фиксированный переменный ток в переменный DC
  2. Чопперы — преобразует постоянный постоянный ток в переменный DC
  3. Инверторы — преобразуют постоянный ток в переменный ток с переменной амплитудой и переменной частотой
  4. Контроллеры напряжения переменного тока — преобразуют фиксированный переменный ток в переменный ток на одинаковой входной частоте
  5. Cycloconverters — преобразует фиксированный переменный ток в переменный ток с переменной частотой

Существует общее заблуждение относительно термина преобразователя. Конвертер — это в принципе любая схема, которая преобразует электроэнергию из одной формы в другую. Следовательно, все перечисленные пять являются типами преобразователей.

Еще по теме:

    А Вы знаете, что такое подключение розетки? Подключение розетки Люди часто нервничают, когда дело доходит…

    Проводка для лебедки Основы проводки лебедки просты, и самая важная задача проводки, кроме как обеспечить…

    А Вы знаете, что такое силовой трансформатор? Силовой трансформатор Иногда известный просто как трансформатор, силовой…

  • 6. Обобщенная классификация сэу по различным признакам, преобразовательные сэу и сэу для получения управляющих воздействий.
  • 7. Управляемые сэу, обобщенная структурная схема технологического объекта с управляемым сэу.
  • 22. Характеристики выключения тиристора, время выключения (восстановление).
  • 8. Классификация исполнительных сэу.
  • 9. Классификация преобразовательных сэу.
  • 10. Простые и комбинированные преобразователи и их структурные схемы.
  • 17. Определение основных потерь в вентилях на низких частотах.
  • 11. Роль эвм, микропроцессорной техники в развитии сэу.
  • 12. Виды преобразования параметров электрической энергии, примеры использования преобразовательных сэу.
  • 13. Основные пассивные компоненты, используемые в сэу: резисторы, конденсаторы, индуктивности, основные параметры и конструктивные особенности.
  • 14. Силовые полупроводниковые приборы (спп), общие сведения, направления развития и классификация по степени управляемости.
  • 15. Силовые диоды (вентили), физические основы и конструкция, система обозначений и маркировок, система параметров и характеристик, специальные группы параметров.
  • 16. Эквивалентная тепловая схема силового диода, внутреннее и общее установившиеся тепловые сопротивления.
  • 18. Составляющие дополнительных потерь в управляемых и неуправляемых спп.
  • 19. Последовательное и параллельное соединение силовых диодов, расчет выравнивающих элементов.
  • 20. Силовые стабилитроны и ограничители напряжения, условное обозначение, основные параметры и вах, области использования.
  • 23. Система параметров тиристора по току и напряжению.
  • 24. Система динамических параметров тиристора.
  • 21. Тиристоры, структурная схема, двухтранзисторная модель и вах тиристора, условия и характеристики включения.
  • 34. Принципы построения современных силовых биполярных транзисторов, основные параметры.
  • 25. Характеристики управляющего перехода тиристора и параметры цепи управления.
  • 26. Зависимости параметров тиристора от температуры, система обозначений и маркировок тиристора.
  • 27. Базовая структура, обозначение, вах и параметры симистора, области использования симистора.
  • 29. Базовые структуры и принцип действия запираемого тиристора и тиристора с комбинированным выключением.
  • 28. Структура, обозначение и параметры тиристорных оптронов, области их использования.
  • 33. Основные схемы устройств запирания тиристоров, определение схемного времени восстановления тиристоров.
  • 30. Структура и вах тиристора-диода.
  • 32. Требования, предъявляемые к управляющим импульсам тиристора, режимы работы генераторов управляющих импульсов.
  • 36. Построение мощных переключающих элементов на основе пт. Преимущества и недостатки пт.
  • 38. Временные диаграммы выключения igbt и зависимость напряжения открытого транзистора от температуры.
  • 37. Структура, эквивалентная схема и графическое обозначение биполярных транзисторов с изолированным затвором (igbt), принцип действия, преимущества и недостатки.
  • 39. Структура построения и схемы силовых полупроводниковых модулей (спм), области использования.
  • 41. Структура и конструктивные особенности запираемых тиристоров типа gct и igbt, принцип действия, параметры и области использования.
  • 42.Режимы работы спп в сэу и их характеристика.
  • 44. Исполнительные сэу, классификация, области использования.
  • 45. Импульсные усилители мощности, основные схемы, особенности работы, расчет элементов.
  • 54. Преобразовательные сэу, классификация, области использования.
  • 46. Способы формирования управляющих воздействий, структура управляющих схем для усилителей мощности.
  • 51. Широтно-импульсные регуляторы (шир) постоянного тока, классификация, основные схемы и их особенности.
  • 52. Регулировочная характеристика последовательных шир, расчет основных элементов.
  • 53. Регулировочная характеристика параллельных шир, расчет основных элементов.
  • 55 . Выпрямители одно и трехфазного питания, структура, классификация, основные эксплуатационные параметры и характеристики.
  • 56. Основные схемы выпрямителей однофазного питания, временные диаграммы их работы на различные виды нагрузок, расчет основных параметров и характеристик.
  • 1. Схема однополупериодного выпрямления
  • 2. Двухполупериодная схема выпрямления с выводом нулевой точки
  • 3. Однофазная мостовая схема выпрямления
  • 57. Основные схемы выпрямителей трехфазного питания, временные диаграммы работы на различные виды нагрузок, расчет основных параметров и характеристик.
  • 59. Временные диаграммы работы регулируемых выпрямителей трехфазного питания на различные виды нагрузок, регулировочная характеристика.
  • 61. Структурные схемы систем управления регулируемыми выпрямителями и ивс, основные узлы и их реализация.
  • 63. Автономные инверторы тока (аит), классификация, основные схемы, временные диаграммы работы, расчет основных параметров и характеристик, примеры использования в системах управления.
  • 62. Автономные инверторы (аи), определение, назначение, классификация, области использования.
  • 63. Автономные инверторы тока (аит), классификация, основные схемы, временные диаграммы работы, расчет основных параметров и характеристик, примеры использования в системах управления.
  • 65. Автономные резонансные инверторы (аир), определение, классификация, физические процессы и особенности работы.
  • 66. Основные схемы аир без встречных диодов, временная диаграмма работы, расчет основных параметров и характеристик, достоинства и недостатки.
  • 67. Основные схемы аир со встроенными диодами и удвоением частоты, временные диаграммы работы, расчет основных параметров и характеристик.
  • Силовая электроника – наука о взаимодействии электронов и других заряженных частиц, квантов излучения с электромагнитными полями в вакууме, в различных средах и на границах их раздела – (физическая электроника): а так же методы создания электронных приборов и устройств в которых это взаимодействие используется для обработки и хранения информации и преобразования энергии – (техническая электроника).

    Силовая электроника является одной из областей электроники и непосредственно исп-ся при преобразовании вида, уровня напряжения, числа фаз, порядка их чередования, трансформация пост.тока. а так же при преобразовании энергии источников питания в энергию управляющего воздействия подаваемого на управляемый объект(ОУ)-нагрузку.

    Электроника подразделяется на:

    Электроника СУ и контроля (информационная электроника, малая мощность на выходе);

    Технологическая электроника (силовая электроника, неограниченная мощность);

    Электроника связи (радио, телевидение, высокие частоты);

    В настоящее время созданы современные силовые полупроводниковые приборы и другие пассивные компоненты, позволяющие реализовать СЭУ на относительно большие мощности.

    Наличие микропроцессорной техники позволяет получить определенные необходимые характеристики СЭУ.

    Основные направления:

      Улучшения параметров и характеристик полупроводниковых приборов;

      Разработка новых типов полупроводниковых приборов;

      Создание интеллектуальных приборов;

      Использование микроконтроллеров средств вычислительной техники в системе управления контроля и регулирования;

      Создание модулей из полупроводниковых приборов или законченных схем.

    2. Основные задачи и проблемы, возникающие при проектировании силовых электронных устройств (сэу).

    Под СЭУ понимается большая группа устройств, предназначенных для получения электрического управляющего воздействия необходимой мощности (исполнительные СЭУ), а так же для преобразования, регулирования или стабилизации параметров электрической энергии (преобразовательные СЭУ).

    Основными задачами при проектировании СЭУ является повышение надежности, КПД и коэффициента мощности, что в конечном счете определяет ее габариты, массу, экономическую эффективность и др.

    3. Обобщенная структурная схема и основные элементы сэу.

    На рис приведена структурная схема СЭУ, основной частью котрого явл-ся силовой блок (СБ), силовая схема.

    Выходной сигнал СБ – СУ (Uвых) подается на управляемый объект – нагрузку (U УО, Zн). Неотъемлемыми частями СЭУ явл-ся блок или схема управления (БУ), блок или схема контроля, защита и регулирование (БКиЗ). Силовой блок состоит из силовых активных (САЕ) и пассивных (СПЕ) элементов, соединенных по определенной схеме и служат для преобразования и управления энергией, поступающей от источника питания (ИП). В качестве САЕ в настоящее время используются силовые полупроводниковые приборы (СПП): мощные транзисторы(биполярные, полевые, совмещенные), тиристоры, симисторы, оптотиристоры и интеллектуальные СПП, модули и т.д. функцию преобразования входного сигнала х, а так же сигналов α, β обратной связи (ОС) с блока БКиЗ в сигналы управления САЕ выполняет БУ. В общем случае БКиЗ получает сигналы γ и δ с датчиков (ДТС, ДТО) контроля режима работы СБ, УО и формирует необх сигнал возд-ия на БУ.

  • В этой статье поговорим о силовой электронике. Что такое силовая электроника, на чем она базируется, какие дает преимущества, и каковы ее перспективы? Остановимся на составных частях силовой электроники, рассмотрим кратко, какие они бывают, чем отличаются между собой, и для каких применений удобны те или иные типы полупроводниковых ключей. Приведем примеры приборов силовой электроники, применяемой в повседневной жизни, на производстве и в быту.

    За последние годы устройства силовой электроники позволили совершить серьезный технологический рывок в энергосбережении. Силовые полупроводниковые приборы, благодаря их гибкой управляемости, позволяют эффективно преобразовывать электроэнергию. Массогабаритные показатели и КПД, достигнутые сегодня, уже вывели преобразовательные устройства на качественно новый уровень.

    Во многих отраслях применяются устройства плавного пуска, регуляторы скорости, источники бесперебойного питания, работающие на современной полупроводниковой базе, и показывающие высокую эффективность. Все это силовая электроника.

    Управление потоками электрической энергии в силовой электронике осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, которые заменяют собой механические коммутаторы, и управление которыми можно осуществлять по требуемому алгоритму с целью получить нужную среднюю мощность и точное действие рабочего органа того или иного оборудования.

    Так, силовая электроника применяется на транспорте, в добывающей отрасли, в сфере связи, на многих производствах, да и ни один мощный бытовой прибор не обходится сегодня без входящих в его конструкцию силовых электронных блоков.

    Главными кирпичиками силовой электроники являются именно полупроводниковые ключевые компоненты, способные с разной скоростью, вплоть до мегагерц, размыкать и замыкать цепь. Во включенном состоянии сопротивление ключа составляет единицы и доли ома, а в выключенном - мегаомы.

    Управление ключом не требует много мощности, а потери на ключе, возникающие в процессе коммутации, при грамотно спроектированном драйвере, не превышают одного процента. По этой причине КПД силовой электроники оказывается высоким по сравнению со сдающими свои позиции железными трансформаторами и механическими коммутаторами типа обычных реле.


    Силовыми электронными приборами называются приборы, в которых действующий ток больше или равен 10 амперам. При этом в качестве ключевых полупроводниковых элементов могут быть: биполярные транзисторы, полевые транзисторы, IGBT-транзисторы, тиристоры, симисторы, запираемые тиристоры, и запираемые тиристоры с интегрированным управлением.

    Малая мощность управления позволяет создавать и силовые микросхемы, в которых сочетаются сразу несколько блоков: сам ключ, схема управления и схема контроля, - это так называемые интеллектуальные схемы.

    Эти электронные кирпичики применяются как в мощных промышленных установках, так и в бытовых электроприборах. Индукционная печь на пару мегаватт или домашний отпариватель на пару киловатт - и в том и в другом есть полупроводниковые силовые ключи, просто оперирующие с разной мощностью.

    Так, силовые тиристоры работают в преобразователях мощностью более 1 МВА, в цепях электроприводов постоянного тока и высоковольтных приводов переменного тока, используются в установках компенсации реактивной мощности, в установках индукционной плавки.

    Запираемые тиристоры управляются более гибко, они служат для управления компрессорами, вентиляторами, насосами мощностью в сотни КВА, а потенциально возможная мощность коммутации превышает 3 МВА. позволяют реализовывать преобразователи мощностью до единиц МВА различного назначения, как для управления двигателями, так и для обеспечения бесперебойного питания и коммутации больших токов во многих статических установках.

    Полевые MOSFET-транзисторы отличаются превосходной управляемостью на частотах в сотни килогерц, что значительно расширяет сферу их применяемости в сравнении с IGBT-транзисторами.

    Для пуска и управления двигателями переменного тока оптимальны симисторы, они способны работать на частотах до 50 кГц, а для управления требуют меньше энергии, чем IGBT-транзисторам.

    Сегодня IGBT-транзисторы по максимальному коммутируемому напряжению достигают 3500 вольт, а потенциально возможно 7000 вольт. Эти компоненты могут вытеснить биполярные транзисторы уже в ближайшие годы, и на оборудовании до единиц МВА будут применяться именно они. Для маломощных преобразователей более приемлемыми останутся MOSFET-транзисторы, а для более 3 МВА - запираемые тиристоры.


    По прогнозам аналитиков, большая часть силовых полупроводников в будущем будет иметь модульное исполнение, когда в одном корпусе располагается от двух до шести ключевых элементов. Применение модулей позволяет снизить массу, уменьшить габариты и себестоимость оборудования, в котором они будут применяться.

    Для IGBT-транзисторов прогрессом будет увеличение токов до 2 кА при напряжении до 3,5 кВ и рост рабочих частот до 70 кГц с упрощением схем управления. В одном модуле смогут содержаться не только ключи и выпрямитель, но и драйвер, и схемы активной защиты.

    Выпускаемые в последние годы транзисторы, диоды, тиристоры, уже значительно улучшили свои параметры, такие как ток, напряжение, быстродействие, и прогресс не стоит на месте.


    Для более качественного преобразования переменного тока в постоянный применяют управляемые выпрямители, позволяющие плавно изменять выпрямленное напряжение в диапазоне от нуля до номинального.

    Сегодня в системах возбуждения электроприводов постоянного тока у синхронных двигателей служат главным образом тиристоры. Сдвоенные тиристоры - симисторы, имеют всего один управляющий электрод для двух соединенных встречно-параллельно тиристоров, что делает управление еще более простым.


    Для осуществления обратного процесса, преобразования постоянного напряжения в переменное применяют . Независимые инверторы на полупроводниковых ключах дают на выходе частоту, форму и амплитуду, определяемою электронной схемой, а не сетью. Инверторы изготавливают на базе различных типов ключевых элементов, но для высоких мощностей, более 1МВА, опять же на первое место выходят инверторы на IGBT-транзисторах.

    В отличие от тиристоров, IGBT-транзисторы дают возможность более широко и более точно формировать ток и напряжение на выходе. Маломощные автомобильные инверторы используют в своей работе полевые транзисторы, которые при мощностях до 3 кВт прекрасно справляются со своей задачей, преобразовывая постоянный ток аккумулятора с напряжением 12 вольт сначала в постоянное, посредством высокочастотного импульсного преобразователя, работающего на частоте от 50кГц до сотен килогерц, затем - в переменное 50 или 60 Гц.


    Для перевода тока одной частоты в ток другой частоты применяют . Раньше это делалось исключительно на базе тиристоров, которые обладали не полной управляемостью, приходилось проектировать сложные схемы принудительного запирания тиристоров.

    Использование ключей типа полевых MOSFET и IGBT-транзисторов облегчает проектирование и реализацию преобразователей частоты, и можно прогнозировать, что в перспективе от тиристоров, особенно в приборах малой мощности, откажутся в пользу транзисторов.


    Для реверсирования электроприводов по прежнему применяются тиристоры, достаточно иметь два комплекта тиристорных преобразователей для обеспечения двух разных направлений тока без необходимости переключений. Так работают современные бесконтактные реверсивные пускатели.

    Надеемся, что наша краткая статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, что такое силовая электроника, какие элементы силовой электроники применяются в силовых электронных приборах, и как велик потенциал силовой электроники для нашего будущего.