Kas ir spēka elektronika

Šajā rakstā mēs runāsim par spēka elektroniku. Kas ir spēka elektronika, uz ko tā balstās, kādas ir priekšrocības un kādas ir tās izredzes? Pakavēsimies pie jaudas elektronikas komponentiem, īsi apsvērsim, kas tie ir, kā tie atšķiras viens no otra un kādiem lietojumiem ir piemēroti šie vai tādi pusvadītāju slēdžu veidi. Šeit ir piemēri jaudas elektronikas ierīcēm, ko izmanto ikdienā, ražošanā un ikdienas dzīvē.

Pēdējos gados jaudas elektronikas ierīces ir panākušas lielu tehnoloģisku izrāvienu enerģijas taupīšanā. Jaudas pusvadītāju ierīces to elastīgās vadāmības dēļ ļauj efektīvi pārveidot elektroenerģiju. Mūsdienu svara, izmēra un efektivitātes rādītāji jau ir pacēluši pārveidotājus kvalitatīvi jaunā līmenī.

Daudzas nozares izmanto mīkstos starterus, ātruma regulatorus, nepārtrauktās barošanas avotus, kas darbojas uz modernu pusvadītāju bāzes un uzrāda augstu efektivitāti. Tā visa ir jaudas elektronika.

Elektriskās enerģijas plūsmas regulēšana spēka elektronikā tiek veikta ar pusvadītāju slēdžu palīdzību, kas aizstāj mehāniskos slēdžus un kurus var vadīt pēc nepieciešamā algoritma, lai iegūtu nepieciešamo vidējo jaudu un precīzu tā vai cita darba ķermeņa darbību. iekārtas.

Tātad jaudas elektronika tiek izmantota transportā, kalnrūpniecībā, sakaru jomā, daudzās nozarēs, un šodien neviena jaudīga sadzīves tehnika nevar iztikt bez jaudas elektroniskām vienībām, kas iekļautas tās dizainā.

Spēka elektronikas pamatelementi ir tieši pusvadītāju galvenie komponenti, kas var atvērt un aizvērt ķēdi dažādos ātrumos, līdz pat megaherciem. Ieslēgtā stāvoklī slēdža pretestība ir omu vienības un daļas, bet izslēgtā stāvoklī - megohmi.

Atslēgas pārvaldība neprasa daudz enerģijas, un atslēgas zudumi, kas radušies pārslēgšanas procesā, ar labi izstrādātu draiveri nepārsniedz vienu procentu. Šī iemesla dēļ jaudas elektronikas efektivitāte ir augsta, salīdzinot ar dzelzs transformatoru un mehānisko slēdžu, piemēram, parasto releju, pozīcijām ar zaudējumiem.

Jaudas elektroniskās ierīces ir ierīces, kuru efektīvā strāva ir lielāka vai vienāda ar 10 ampēriem. Šajā gadījumā galvenie pusvadītāju elementi var būt: bipolāri tranzistori, lauka efekta tranzistori, IGBT tranzistori, tiristori, triaki, bloķēšanas tiristori un bloķēšanas tiristori ar integrētu vadību.

Zema vadības jauda ļauj arī izveidot jaudas mikroshēmas, kurās vienlaikus tiek apvienoti vairāki bloki: pats slēdzis, vadības ķēde un vadības ķēde, tās ir tā sauktās viedās shēmas.

Šie elektroniskie celtniecības bloki tiek izmantoti gan lieljaudas industriālajās instalācijās, gan sadzīves elektroierīcēs. Indukcijas cepeškrāsns dažiem megavatiem vai mājas tvaikonis dažiem kilovatiem — abiem ir cietvielu strāvas slēdži, kas vienkārši darbojas ar dažādu jaudu.

Tādējādi jaudas tiristori darbojas pārveidotājos ar jaudu, kas lielāka par 1 MVA, elektrisko piedziņu ķēdēs ar līdzstrāvas un maiņstrāvas piedziņām ar augstu spriegumu, tiek izmantotas reaktīvās jaudas kompensācijas instalācijās, indukcijas kausēšanas iekārtās.

Bloķējošie tiristori tiek vadīti elastīgāk, ar tiem tiek vadīti kompresori, ventilatori, sūkņi ar jaudu simtiem kVA, un potenciālā pārslēgšanas jauda pārsniedz 3 MVA. IGBT tranzistori ļauj izvietot pārveidotājus ar jaudu līdz MVA vienībām dažādiem mērķiem gan motora vadībai, gan nepārtrauktas barošanas nodrošināšanai un lielu strāvu pārslēgšanai daudzās statiskās iekārtās.

MOSFET ir lieliska vadāmība simtiem kilohercu frekvencēs, kas ievērojami paplašina to pielietojamības diapazonu salīdzinājumā ar IGBT.

Triacs ir optimāli piemērots maiņstrāvas motoru palaišanai un vadīšanai, tie var darboties frekvencēs līdz 50 kHz, un to vadībai ir nepieciešams mazāk enerģijas nekā IGBT tranzistori.

Mūsdienās IGBT maksimālais pārslēgšanas spriegums ir 3500 volti un, iespējams, 7000 volti.Šie komponenti var aizstāt bipolāros tranzistorus nākamajos gados un tiks izmantoti iekārtās līdz MVA vienībām. Mazjaudas pārveidotājiem MOSFET paliks pieņemamāki, bet vairāk nekā 3 MVA - bloķējamie tiristori.

Pēc analītiķu prognozēm, lielākajai daļai pusvadītāju nākotnē būs modulāra konstrukcija, kur vienā iepakojumā atrodas divi līdz seši galvenie elementi. Moduļu izmantošana ļauj samazināt tā aprīkojuma svaru, izmērus un izmaksas, kurā tie tiks izmantoti.

IGBT tranzistoriem progress būs strāvu palielināšana līdz 2 kA pie sprieguma līdz 3,5 kV un darbības frekvences palielināšana līdz 70 kHz ar vienkāršotām vadības shēmām. Modulī var būt ne tikai slēdži un taisngriezis, bet arī draiveris un aktīvās aizsardzības shēmas.

Pēdējos gados ražotie tranzistori, diodes, tiristori jau ir būtiski uzlabojuši savus parametrus, piemēram, strāvu, spriegumu, ātrumu, un progress nestāv uz vietas.

Labākai maiņstrāvas pārvēršanai līdzstrāvā tiek izmantoti vadāmi taisngrieži, kas ļauj vienmērīgi mainīt rektificēto spriegumu diapazonā no nulles līdz nominālajam.

Mūsdienās līdzstrāvas elektriskās piedziņas ierosmes sistēmās tiristori galvenokārt tiek izmantoti sinhronajos motoros. Dubulttiristoriem — triaciem — ir tikai viens aizbīdņa elektrods diviem savienotiem antiparalēlajiem tiristoriem, kas padara vadību vēl vienkāršāku.

Lai veiktu apgriezto procesu, tiek izmantota tiešā sprieguma pārveidošana maiņspriegumā invertori… Neatkarīgi pusvadītāju slēdžu invertori nodrošina izejas frekvenci, formu un amplitūdu, ko nosaka elektroniskā shēma, nevis tīkls. Invertori tiek izgatavoti, pamatojoties uz dažāda veida galvenajiem elementiem, bet lielām jaudām, vairāk nekā 1 MVA, atkal izceļas IGBT tranzistoru invertori.

Atšķirībā no tiristoriem, IGBT nodrošina plašāku un precīzāku izejas strāvas un sprieguma formu. Mazjaudas automašīnu invertori savā darbā izmanto lauka efekta tranzistorus, kas ar jaudu līdz 3 kW lieliski pārvērš 12 voltu akumulatora līdzstrāvu, vispirms līdzstrāvā, izmantojot augstfrekvences impulsu pārveidotāju. ar frekvenci no 50 kHz līdz simtiem kilohercu, pēc tam pārmaiņus 50 vai 60 Hz.

Lai pārveidotu vienas frekvences strāvu par citas frekvences strāvu, izmantojiet pusvadītāju frekvences pārveidotāji[..] Iepriekš tas tika darīts tikai uz tiristoru bāzes, kam nebija pilnīgas vadāmības; bija nepieciešams izstrādāt sarežģītas shēmas tiristoru piespiedu bloķēšanai.

Tādu slēdžu kā lauka efekta MOSFET un IGBT izmantošana atvieglo frekvenču pārveidotāju projektēšanu un ieviešanu, un var prognozēt, ka tiristori, īpaši mazjaudas ierīcēs, nākotnē tiks atmesti par labu tranzistoriem.

Tiristori joprojām tiek izmantoti elektrisko piedziņu reversēšanai; pietiek ar diviem tiristoru pārveidotāju komplektiem, lai nodrošinātu divus dažādus strāvas virzienus bez pārslēgšanas. Šādi darbojas moderni bezkontakta reversie starteri.

Mēs ceram, ka mūsu īsais raksts jums bija noderīgs un tagad jūs zināt, kas ir spēka elektronika, kādi spēka elektronikas elementi tiek izmantoti jaudas elektronikas ierīcēs un cik liels ir spēka elektronikas potenciāls mūsu nākotnei.