Основы силовой электроники - Розанов Ю.К. Устройства силовой электроники, развитие, применение, назначение
Название: Основы силовой электроники.
Излагаются принципы преобразования электрической энергии: выпрямления, инвертирования, преобразования частоты и др. Описаны основные схемы преобразовательных устройств, способы управления ими и регулирования основных параметров, показаны области рационального использования различных типов преобразователей.
Для инженеров и техников по разработке и эксплуатации электрических систем, содержащих преобразовательные устройства, а также занятых испытанием и обслуживанием преобразовательной техники.
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.
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
2.3.1. Коммутация токов в схемах выпрямления
2.3.2. Внешние характеристики 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 широтно-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 преобразовательно» технике
5.3.1. Типовые обобщенные структуры микропроцессора
5.3.2. Примеры использования микропроцессорных систем управления
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
Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Основы силовой электроники - Розанов Ю.К. - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.
Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.
Силовой электроникой называют область науки и техники, которая решает проблему создания силовых электронных приборов, а также проблемы получения значительной электрической энергии, управления мощными электрическими процессами и преобразования электрической энергии в достаточно большую энергию другого вида при использовании в качестве основного инструмента этих приборов.
Ниже рассматриваются устройства силовой электроники на основе полупроводниковых приборов. Именно эти приборы используются наиболее широко.
Для получения электрической энергии уже длительное время используются рассмотренные выше солнечные элементы. В настоящее время доля этой энергии в общем объеме электроэнергии невелика. Однако многие ученые, к которым относится и лауреат Нобелевской премии академик Ж.И. Алферов, считают солнечные элементы очень перспективными источниками электрической энергии, не нарушающими энергетический баланс на Земле.
Управление мощными электрическими процессами является именно той проблемой, при решении которой силовые полупроводниковые приборы уже очень широко используются, а интенсивность их применения быстро возрастает. Это объясняется достоинствами силовых полупроводниковых приборов, основными из которых являются высокое быстродействие, малое падение в открытом состоянии и малый в закрытом состоянии (что обеспечивает малые потери мощности), высокая надежность, значительная нагрузочная способность по току и напряжению, малые размеры и вес, простота в управлении, органическое единство с полупроводниковыми устройствами информативной электроники, что облегчает объединение сильноточных и слаботочных элементов.
Во многих странах развернуты интенсивные научно-исследовательские работы по силовой электронике и благодаря этому силовые полупроводниковые приборы, а также электронные устройства на их основе постоянно совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение области применения силовой электроники, что, в свою очередь, стимулирует научные исследования. Здесь можно говорить о положительной обратной связи в масштабах целой области человеческой деятельности. Результатом является стремительное проникновение силовой электроники в самые различные области техники.
Особенно быстрое распространение устройств силовой электроники началось после создания силовых полевых транзисторов и IGBT.
Этому предшествовал достаточно длительный период, когда основным силовым полупроводниковым прибором был незапираемый тиристор, созданный в 50е годы прошлого столетия. Незапираемые тиристоры сыграли выдающуюся роль в развитии силовой электроники и широко используются в наше время. Но невозможность выключения с помощью импульсов управления часто затрудняет их применение. Десятилетия разработчикам силовых устройств приходилось смиряться с этим недостатком, используя в ряде случаев довольно сложные узлы силовых схем для выключения тиристоров.
Широкое распространение тиристоров обусловило популярность возникшего в то время термина «тиристорная техника», который использовали в том же смысле, что и термин «силовая электроника».
Разработанные в указанный период силовые биполярные транзисторы нашли свою область применения, но радикально ситуацию в силовой электронике не изменили.
Только с появлением силовых полевых транзисторов и 10 ВТ в руках инженеров оказались полностью управляемые электронные ключи, приближающиеся по своим свойствам к идеальным. Это резко облегчило решение самых различных задач по управлению мощными электрическими процессами. Наличие достаточно совершенных электронных ключей дает возможность не только мгновенно подключать нагрузку к источнику постоянного или переменного и отключать ее, но и формировать для нее очень большие сигналы тока или практически любой требуемой формы.
Наиболее распространенными типовыми устройствами силовой электроники являются:
бесконтактные переключающие устройства переменного и постоянного тока (прерыватели), предназначенные для включения или выключения нагрузки в цепи переменного или постоянного тока и, иногда, для регулирования мощности нагрузки;
выпрямители , преобразующие переменное в одной полярности (однонаправленное);
инверторы , преобразующие постоянное в переменное;
преобразователи частоты , преобразующие переменное одной частоты в переменное другой частоты;
преобразователи постоянного (конверторы), преобразующие постоянное одной величины в постоянное другой величины;
преобразователи числа фаз , преобразующие переменное с одним числом фаз в переменное с другим числом фаз (обычно однофазное преобразуется в трехфазное или трехфазное - в однофазное);
компенсаторы (корректоры коэффициента мощности), предназначенные для компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного и для компенсации искажений формы тока и напряжения.
По существу устройства силовой электроники выполняют преобразование мощных электрических сигналов. Поэтому силовую электронику называют также преобразовательной техникой.
Устройства силовой электроники, как типовые, так и специализированные, используются во всех областях техники и практически в любом достаточно сложном научном оборудовании.
В качестве иллюстрации укажем некоторые объекты, в которых устройства силовой электроники выполняют важные функции:
Электропривод (регулирование скорости и момента вращения и др.);
Установки для электролиза (цветная металлургия, химическая промышленность);
Электрооборудование для передачи электроэнергии на большие расстояния на постоянном токе;
Электрометаллургическое оборудование (электромагнитное перемешивание металла и др.);
Электротермические установки (индукционный нагрев и др.);
Электрооборудование для зарядки аккумуляторов;
Компьютеры;
Электрооборудование автомобилей и тракторов;
Электрооборудование самолетов и космических аппаратов;
Устройства радиосвязи;
Оборудование для телевещания;
Устройства для электроосвещения (питание люминесцентных ламп и др.);
Медицинское электрооборудование (ультразвуковая терапия и хирургия и др.);
Электроинструмент;
Устройства бытовой электроники.
Развитие силовой электроники изменяет и сами подходы к решению технических задач. К примеру, создание силовых полевых транзисторов и IGBT существенно способствует расширению области применения индукторных двигателей, которые в ряде областей вытесняют коллекторные двигатели.
Существенным фактором, благотворно влияющим на распространение устройств силовой электроники, являются успехи информативной электроники и, в частности, микропроцессорной техники. Для управления мощными электрическими процессами используются все более сложные алгоритмы, которые могут быть рационально реализованы только при применении достаточно совершенных устройств информативной электроники.
Эффективное совместное использование достижений силовой и информативной электроники дает действительно выдающиеся результаты.
Существующие устройства для преобразования электрической энергии в энергию другого вида при непосредственном использовании полупроводниковых приборов еще не имеют большой выходной мощности. Однако и здесь получены обнадеживающие результаты.
Полупроводниковые лазеры превращают электрическую энергию в энергию когерентного излучения в ультрафиолетовом, видимом и в инфракрасном диапазонах. Эти лазеры были предложены в 1959 г., а впервые реализованы на основе арсенида галлия (GaAs) в 1962 г. Лазеры на основе полупроводников отличаются высоким коэффициентом полезного действия (выше 10 %) и большим сроком службы. Их применяют, к примеру, в инфракрасных прожекторах.
Сверхъяркие светодиоды белого свечения, появившиеся в 90х годах прошлого века, уже используются в ряде случаев для освещения вместо ламп накаливания. Светодиоды существенно более экономичны и имеют значительно больший срок службы. Предполагается, что область применения светодиодных светильников будет быстро расширяться.
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.
Рецензент доктор технических наук Ф. И. Ковалев
Излагаются принципы преобразования электрической энергии: выпрямления, инвертирования, преобразования частоты и др. Описаны основные схемы преобразовательных устройств, способы управления ими и регулирования основных параметров, показаны области рационального использования различных типов преобразователей. Рассмотрены особенности конструирования и эксплуатации.
Для инженеров и техников по разработке и эксплуатации электрических систем, содержащих преобразовательные устройства, а также занятых испытанием и обслуживанием преобразовательной техники.
Розанов Ю. К. Основы силовой электроники . - Москва, издательство Энергоатомиздат, 1992.- 296 с.
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
2.3.1. Коммутация токов в схемах выпрямления
2.3.2. Внешние характеристики 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 широтно-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 преобразовательно» технике
5.3.1. Типовые обобщенные структуры микропроцессора
5.3.2. Примеры использования микропроцессорных систем управления
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
Список литературы
1. ГОСТ 20859.1-89 (СТ СЭВ 1135-88). Приборы полупроводниковые силовые единой унифицированной серии. Общие технические условия.
2. Чебовский О. Г., Моисеев Л. Г., Недошивин Р. П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.
3 Iravis В. Discrete power semiconductors //EDN. 1984. Vol. 29, N 18. P. 106-127.
4. Nakagawa A.e.a. 1800V bipolar-mode MOSFET (IGBT) /A. Nakagawa, K. Imamure, K. Furukawa //Toshiba Review. 1987. N 161. P. 34-37.
5 Chen D. Semiconductors: fast, tough and compact // IEEE Spectrum. 1987. Vol. 24, N 9. P. 30-35.
6. Силовые полупроводниковые модули за рубежом / В. Б. Зильберштейн, С. В. Машин, В. А. Потапчук и др. // Электротехническая промышленность. Сер. 05. Силовая преобразовательная техника. 1988. Вып. 18. С. 1-44.
7. Rischmiiller К. Smatries intelligente Ihstungshalbeitereine neue Halblieter-generation // Electronikpraxis. 1987. N6. S. 118-122.
8. Русин Ю. С, Горский А. Н., Розанов Ю. К. Исследование зависимости объемов электромагнитных элементов от частоты // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1983. № 10. С. 3-6.
9. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В. П. Берзан, Б. Ю. Геликман, М. Н. Гураевскнй н др. Под ред. Г. С. Кучинского. М.: Энергоатомиздат, 1987.
10. Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф.И.Ковалева и Г. П. Мостковой. М.: Энергия, 1978.
11. Circuit configuration of the GTO converter for superconducting magnetic energy storage / Toshifumi JSE, James J. Skiles, Kohert L., K. V. Stom, J. Wang//IEEE 19th Power Electronics Specialists Conference (PESC"88), Kyoto, Japan, April 11 - 14, 1988. P. 108-115.
12. Розанов Ю. К. Основы силовой преобразовательной техники. М.: Энергия, 1979.
13. Чиженко И. М., Руденко В. С, Сеиько В. И. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1974.
14. Иванов В. А. Динамика автономных инверторов с прямой коммутацией. М.: Энергия, 1979.
15. Ковалев Ф. И., Мустафа Г. М., Барегемян Г. В. Управление по вычисляемому прогнозу импульсным преобразователем с синусоидальным выходным напряжением // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1981. №6(34).С. 10-14.
16. Middelbrook R. D. Isolation and multiple output extensions of a new optimum topology switching DC - tV - DC converter//IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC"78), 1978. P. 256-264.
17. Булатов О. Г., Царенко А. И. Тиристорно-конденсаторные преобразователи. М. Энергоиздат, 1982.
18. Розинов Ю. К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. М.: Энергоатомиздат, 1987.
19. Калабеков А. А. Микропроцессоры н их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1988.
20. Строганов Р. П. Управляющие машины и их применение. М.: Высшая школа, 1986.
21. Обухов СТ., Рамизевич Т. В. Применение микро-ЭВМ для управления вентильными преобразователями // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1983. Вып. 3(151). С. 9
22. Управление вентильными преобразователями на базе микропроцессоров / Ю. М. Быков, И. Т. Пар, Л. Я. Раскин, Л. П. Деткин// Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1985. Вып. 10. С. 117.
23. Matsui N., Takeshk Т., Vura M. One-Chip Micro - Computer - Based controller for the MC Hurray Junerter // IEEE Transactions on industrial electronics, 1984. Vol. JE-31, N 3. P. 249-254.
24. Булатов О. Г., Иванов В. С, Панфилов Д. И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. М.: Радио и связь, 1986.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Силовая электроника является постоянно развивающейся и перспективной областью электротехники. Достижения современной силовой электроники оказывают большое влияние на темпы технического прогресса во всех развитых индустриальных обществах. В этой связи возникает необходимость для широкого круга научно-технических работников в более ясном понимании основ современной силовой электроники.
Силовая электроника имеет в настоящее время достаточно глубоко разработанные теоретические основы, однако автор не ставил перед собой задачи даже частичного их изложения, поскольку этим вопросам посвящены многочисленные монографии и учебники. Содержание настоящей книги и методика его изложения рассчитаны в первую очередь на инженерно-технических работников, не являющихся специалистами в области силовой электроники, но связанных с применением и эксплуатацией электронных устройств и аппаратов и желающих получить представление об основных принципах работы электронных устройств, их схемотехнике и общих положениях по разработке и эксплуатации. Кроме того, большинство разделов книги может быть также использовано учащимися различных технических учебных заведений при изучении дисциплины, в программу которых входят вопросы силовой электроники.
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.