Силова електроникае област на науката и технологиите, която решава проблема за създаване на силови електронни устройства, както и проблема за получаване на значителна електрическа енергия, контролиране на мощни електрически процеси и преобразуване на електрическа енергия в достатъчно голяма енергия от друг тип, когато се използват тези устройства като основни инструмент.

Базираните на полупроводници силови електронни устройства са обсъдени по-долу. Тези устройства са най-широко използвани.

Слънчевите клетки, обсъдени по-горе, се използват дълго време за генериране на електрическа енергия. В момента делът на тази енергия в общия обем електроенергия е малък. Въпреки това много учени, включително носителят на Нобелова награда академик Zh.I. Алферов, считат слънчевите клетки за много обещаващи източници на електрическа енергия, които не нарушават енергийния баланс на Земята.

Управлението на мощни електрически процеси е именно проблемът, в който силовите полупроводникови устройства вече се използват широко и интензивността на тяхното използване бързо нараства. Това се обяснява с предимствата на силовите полупроводникови устройства, основните от които са висока скорост, нисък спад в отворено състояние и нисък спад в затворено състояние (което осигурява ниски загуби на мощност), висока надеждност, значителен ток и капацитет на натоварване на напрежението, малък размер и тегло, лекота на управление, органично единство с полупроводникови устройства на информационната електроника, което улеснява комбинирането на силнотокови и слаботокови елементи.

В много страни е започнала интензивна изследователска работа върху силова електроника и благодарение на това силови полупроводникови устройства, както и електронни устройствавъз основа на тях те непрекъснато се подобряват. Това гарантира бързото разширяване на приложенията на силова електроника, което от своя страна стимулира научните изследвания. Тук можем да говорим за положителна обратна връзка в мащаба на цяла област на човешката дейност. Резултатът е бързото навлизане на силовата електроника в голямо разнообразие от технически области.

Особено бързо разпространение на устройства за силова електроника започна след създаването на мощността полеви транзистории IGBT.

Това беше предшествано от доста дълъг период, когато основното мощно полупроводниково устройство беше незатворен тиристор, създаден през 50-те години на миналия век. Неблокиращите тиристори изиграха важна роля в развитието на силовата електроника и се използват широко днес. Но невъзможността за изключване с помощта на контролни импулси често прави използването им трудно. В продължение на десетилетия разработчиците на захранващи устройства трябваше да се примирят с този недостатък, в някои случаи използвайки доста сложни компоненти на захранващата верига, за да изключат тиристорите.

Широкото използване на тиристори доведе до популярността на термина „тиристорна технология“, който се появи по това време, който се използва в същия смисъл като термина „мощна електроника“.

Мощните биполярни транзистори, разработени през този период, намериха своята област на приложение, но не промениха радикално ситуацията в силовата електроника.

Едва с появата на мощни полеви транзистори и 10 вата бяха напълно управляеми електронни превключватели в ръцете на инженерите, доближаващи се до идеалните по своите свойства. Това значително улесни решаването на различни проблеми, свързани с управлението на мощни електрически процеси. Наличие на достатъчно напреднали електронни ключовеправи възможно не само незабавното свързване на товар към източник на постоянен или променлив ток и прекъсването му, но и генерирането на много големи токови сигнали или почти всяка необходима форма за него.

Най-често срещаните типични устройства за силова електроника са:

безконтактни комутационни устройствапроменлив и постоянен ток (прекъсвачи), предназначени за включване или изключване на товар във верига с променлив или постоянен ток и понякога за регулиране на мощността на товара;

токоизправители, трансформиране на променлива в една полярност (еднопосочно);

инвертори, преобразуване на константа в променлива;

честотни преобразуватели, преобразуване на променлива с една честота в променлива с друга честота;

DC преобразуватели(конвертори), които преобразуват константа на една величина в константа на друга величина;

преобразуватели на фазови числа, преобразуване на променлива променлива с един брой фази в променлива с различен брой фази (обикновено еднофазното се преобразува в трифазно или трифазното в еднофазно);

компенсатори(коректори на фактора на мощността), предназначени да компенсират реактивната мощност в захранващата мрежа с променлив ток и да компенсират изкривяванията на вълните на тока и напрежението.

По същество устройствата за силова електроника извършват преобразуване на електрически сигнали с висока мощност. Ето защо силовата електроника се нарича още преобразувателна технология.

Устройствата за силова електроника, както стандартни, така и специализирани, се използват във всички области на технологиите и в почти всяко доста сложно научно оборудване.

Като илюстрация посочваме някои обекти, в които устройства за силова електроникаизпълнява важни функции:

Електрическо задвижване (контрол на скоростта и въртящия момент и др.);

Инсталации за електролиза (цветна металургия, химическа промишленост);

Електрическо оборудване за пренос на електричество на големи разстояния чрез постоянен ток;

Електрометалургично оборудване (електромагнитно смесване на метал и др.);

Електротермични инсталации (индукционно нагряване и др.);

Електрическо оборудване за зареждане на батерии;

компютри;

Електрообзавеждане на автомобили и трактори;

Електрическо оборудване на самолети и космически кораби;

Радиокомуникационни устройства;

Оборудване за телевизионно излъчване;

Уреди за електрическо осветление (захранване луминесцентни лампии т.н.);

Медицинско електрооборудване (ултразвукова терапия и хирургия и др.);

Електрически инструменти;

Устройства за битова електроника.

Развитието на силовата електроника променя и самите подходи за решаване на технически проблеми. Например, създаването на мощни полеви транзистори и IGBT значително допринася за разширяване на обхвата на приложение на индукторни двигатели, които в редица области заменят колекторните двигатели.

Значителен фактор, който има благоприятен ефект върху разпространението на устройствата за силова електроника, е успехът на информационната електроника и по-специално на микропроцесорната техника. За управление на мощни електрически процеси се използват все по-сложни алгоритми, които могат да бъдат рационално реализирани само с помощта на достатъчно напреднали информационни електронни устройства.

Ефективен споделянепостиженията на силовата и информационната електроника дава наистина изключителни резултати.

Съществуващите устройства за преобразуване на електрическа енергия в друг вид енергия при директно използване на полупроводникови устройства все още нямат висока изходна мощност. Но и тук бяха получени обнадеждаващи резултати.

Полупроводниковите лазери преобразуват електрическата енергия в кохерентна радиационна енергия в ултравиолетовия, видимия и инфрачервения диапазони. Тези лазери са предложени през 1959 г. и са въведени за първи път с помощта на галиев арсенид (GaAs) през 1962 г. Базираните на полупроводници лазери се характеризират с висока ефективност (над 10%) и дълъг експлоатационен живот. Те се използват например в инфрачервени прожектори.

Свръхярките бели светодиоди, които се появиха през 90-те години на миналия век, вече се използват в някои случаи за осветление вместо лампи с нажежаема жичка. Светодиодите са значително по-икономични и имат значително по-дълъг експлоатационен живот. Предполага се, че обхватът LED лампище се разшири бързо.

Съдържание:

• Предговор
• Въведение
• Глава първа. Основни елементи на силовата електроника
  • 1.1. Силови полупроводници
    • 1.1.1. Силови диоди
    • 1.1.2. Силови транзистори
    • 1.1.3. Тиристори
    • 1.1.4. Приложения на силови полупроводникови устройства
  • 1.2. Трансформатори и реактори
  • 1.3. Кондензатори
• Глава втора. Токоизправители
  • 2.1. Обща информация
  • 2.2. Основни изправителни вериги
    • 2.2.1. Еднофазна пълновълнова верига със средна точка
    • 2.2.2. Еднофазна мостова верига
    • 2.2.3. Трифазна верига със средна точка
    • 2.2.4. Трифазна мостова верига
    • 2.2.5. Многомостови вериги
    • 2.2.6. Хармоничен състав на изправено напрежение и първични токове в изправителни вериги
  • 2.3. Режими на превключване и работа на токоизправители
    • 2.3.1. Комутационни токове в изправителни вериги
    • 2.3.2. Външни характеристикитокоизправители
  • 2.4. Енергийни характеристики на токоизправителите и начини за тяхното подобряване
    • 2.4.1. Фактор на мощността и ефективност на токоизправителите
    • 2.4.2. Подобряване на фактора на мощността на управляваните токоизправители
  • 2.5. Характеристики на работата на токоизправители за капацитивен товар и обратно ЕМП
  • 2.6. Anti-aliasing филтри
  • 2.7. Работа на токоизправител от източник със сравнима мощност
• Глава трета. Инвертори и честотни преобразуватели
  • 3.1. Задвижвани от мрежата инвертори
    • 3.1.1. Еднофазен инвертор със средна точка
    • 3.1.2. Трифазен мостов инвертор
    • 3.1.3. Баланс на мощността в задвижван от мрежата инвертор
    • 3.1.4. Основни характеристики и режими на работа на мрежови инвертори
  • 3.2. Автономни инвертори
    • 3.2.1. Токови инвертори
    • 3.2.2. Инвертори на напрежение
    • 3.2.3. Инвертори на напрежение на базата на тиристори
    • 3.2.4. Резонансни инвертори
  • 3.3. Честотни преобразуватели
    • 3.3.1. Честотни преобразуватели с междинно DC звено
    • 3.3.2. Директно свързани честотни преобразуватели
  • 3.4. Регулиране на изходното напрежение на автономни инвертори
    • 3.4.1. Общи принципи на регулиране
    • 3.4.2. Устройства за управление на токови инвертори
    • 3.4.3. Регулиране на изходното напрежение чрез радиочестотна модулация (PWM)
    • 3.4.4. Геометрично добавяне на напрежения
  • 3.5. Методи за подобряване на формата на вълната на изходното напрежение на инвертори и честотни преобразуватели
    • 3.5.1. Влиянието на несинусоидалното напрежение върху потребителите на електроенергия
    • 3.5.2. Инверторни изходни филтри
    • 3.5.3. Намаляване на висшите хармоници в изходното напрежение без използване на филтри
• Глава четвърта. Регулатори-стабилизатори и статични контактори
  • 4.1. Регулатори на AC напрежение
  • 4.2. DC регулатори-стабилизатори
    • 4.2.1. Параметрични стабилизатори
    • 4.2.2. Непрекъснати стабилизатори
    • 4.2.3. Превключващи регулатори
    • 4.2.4. Разработване на структури на импулсен регулатор
    • 4.2.5. Тиристорно-кондензаторни постояннотокови регулатори с дозирано предаване на енергия към товара
    • 4.2.6. Комбинирани преобразуватели-регулатори
  • 4.3. Статични контактори
    • 4.3.1. Тиристорни AC контактори
    • 4.3.2. Тиристорни постояннотокови контактори
• Глава пета. Системи за управление на преобразуватели
  • 5.1. Обща информация
  • 5.2. Блокови схеми на системи за управление на преобразувателни устройства
    • 5.2.1. Системи за управление на токоизправители и зависими инвертори
    • 5.2.2. Системи за управление на честотен преобразувател с директна връзка
    • 5.2.3. Системи за управление на автономни инвертори
    • 5.2.4. Системи за управление на регулатори-стабилизатори
  • 5.3. Микропроцесорни системи в преобразувателната техника
    • 5.3.1. Типични обобщени микропроцесорни структури
    • 5.3.2. Примери за използване на микропроцесорни системи за управление
• Глава шеста. Приложения на силови електронни устройства
  • 6.1. Области на рационално приложение
  • 6.2. Общи технически изисквания
  • 6.3. Защита в аварийни режими
  • 6.4. Оперативен мониторинг и диагностика на техническото състояние
  • 6.5. Осигуряване на паралелна работа на преобразуватели
  • 6.6. Електромагнитни смущения
• Референции

ВЪВЕДЕНИЕ

В електронната техника се разграничават силова електроника и информационна електроника. Силовата електроника първоначално възниква като област на технологията, свързана предимно с трансформацията на различни видове електрическа енергия чрез използването на електронни устройства. Последващият напредък в полупроводниковата технология направи възможно значително разширяване функционалност, силови електронни устройства и съответно областите им на приложение.

Съвременните устройства за силова електроника позволяват да се контролира потокът от електроенергия не само с цел преобразуването му от един вид в друг, но и за разпределение, организиране на високоскоростна защита на електрически вериги, компенсация на реактивна мощност и др. Тези функции, тясно свързани с традиционните задачи на електроенергетиката, са определили други. Името на силовата електроника е енергийна електроника. Информационната електроника се използва предимно за управление на информационни процеси. По-специално устройствата на информационната електроника са в основата на системите за управление и регулиране на различни обекти, включително устройства на силова електроника.

Но въпреки интензивното разширяване на функциите на устройствата за силова електроника и техните области на приложение, основните научно-технически проблеми и задачи, решавани в областта на силовата електроника, са свързани с. трансформация на електрическа енергия.

Електричеството се използва в различни форми: под формата на променлив ток с честота 50 Hz, под формата на постоянен ток (над 20% от цялата генерирана електроенергия), както и променлив ток с висока честота или токове от специална форма (например импулсен и др.). Тази разлика се дължи главно на многообразието и спецификата на потребителите, а в някои случаи (например при автономните системи за захранване) и на първичните източници на електроенергия.

Разнообразието във видовете консумирана и генерирана електроенергия налага нейното преобразуване. Основните видове преобразуване на електроенергия са:

• 1) коригиране (преобразуване на променлив ток в постоянен ток);
• 2) инверсия (преобразуване на постоянен ток в променлив);
• 3) честотно преобразуване (преобразуване на променлив ток с една честота в променлив ток с друга честота).

Съществуват и редица други, по-рядко срещани видове преобразуване: токови вълни, брой фази и т.н. В някои случаи се използва комбинация от няколко вида преобразуване. Освен това електричеството може да се преобразува, за да се подобри качеството на неговите параметри, например за стабилизиране на напрежението или честотата на променливия ток.

Може да се извърши преобразуване на електричество по различни начини. По-специално, традиционно за електротехниката е трансформацията чрез електрически машинни агрегати, състоящи се от двигател и генератор, обединени от общ вал. Въпреки това, този метод на преобразуване има редица недостатъци: наличието на движещи се части, инерция и т.н. Следователно, успоредно с развитието на преобразуването на електрическите машини в електротехниката, много внимание се отделя на разработването на методи за статично преобразуване на електричество . Повечето от тези разработки се основават на използването на нелинейни елементи на електронната технология. Основните елементи на силовата електроника, които станаха основа за създаването на статични преобразуватели, бяха полупроводникови устройства. Проводимостта на повечето полупроводникови устройства зависи значително от посоката електрически ток: в права посока тяхната проводимост е висока, в обратна посока е малка (т.е. полупроводниковото устройство има две ясно дефинирани състояния: отворено и затворено). Полупроводниковите устройства могат да бъдат неконтролирани или контролирани. В последния е възможно да се контролира моментът на началото на тяхната висока проводимост (включване) с помощта на управляващи импулси с ниска мощност. Първите вътрешни трудове, посветени на изучаването на полупроводникови устройства и тяхното използване за преобразуване на електричество, са произведенията на академиците V. F. Mitkevich, N. D. Papeleksi и др.

През 30-те години на миналия век в СССР и в чужбина са разпространени газоразрядни устройства (живачни вентили, тиратрони, гастрони и др.). Едновременно с разработването на газоразрядни устройства е разработена теорията за преобразуване на електричеството. Разработени са основни типове вериги и са проведени задълбочени изследвания върху електромагнитните процеси, които възникват по време на изправяне и инверсия на променлив ток. В същото време се появиха първите работи за анализ на схеми на автономни инвертори. В развитието на теорията на йонните преобразуватели голяма роля изиграха работата на съветските учени И. Л. Каганов, М. А. Чернишев, Д. А. Завалишин, както и чуждестранни: К. Мюлер-Любек, М. Демонтвин, В. Шилинг и др. други.

Нов етап в развитието на преобразувателната технология започва в края на 50-те години, когато се появяват мощни полупроводникови устройства - диоди и тиристори. Тези устройства, разработени на базата на силиций, имат свои собствени технически спецификациимного по-добри от газоразрядните устройства. Те са малки по размер и тегло, имат висока стойност на ефективност, имат висока скорост и повишена надеждност при работа в широк температурен диапазон.

Използването на силови полупроводникови устройства значително повлия върху развитието на силовата електроника. Те станаха основа за разработването на високоефективни преобразувателни устройства от всякакъв тип. В тези разработки бяха приети много фундаментално нови схеми и дизайнерски решения. Развитието в индустрията на силови полупроводникови устройства засили изследванията в тази област и създаването на нови технологии. Като се вземат предвид спецификите на силовите полупроводникови устройства, бяха усъвършенствани стари методи за анализ на схеми и бяха разработени нови методи. Значително се разшириха класовете схеми за автономни инвертори, честотни преобразуватели, постояннотокови стабилизатори и много други, появиха се нови видове устройства за силова електроника - статични контактори с естествено и изкуствено превключване, тиристорни компенсатори на реактивна мощност, високоскоростни защитни устройства с напрежение. ограничители и др.

Една от основните области ефективно използванесиловата електроника се превърна в електрическо задвижване. Тиристорни блокове и комплектни устройства са разработени за постояннотокови електрически задвижвания и се използват успешно в металургията, машиностроенето, транспорта и други индустрии. Развитието на тиристорите доведе до значителен напредък в областта на регулируемите AC електрически задвижвания.

Създадени са високоефективни устройства, които преобразуват тока с индустриална честота в променлив ток с променлива честота, за да контролират скоростта на електродвигателите. За различни области на технологията са разработени много видове честотни преобразуватели със стабилизирани изходни параметри. По-специално, за индукционно нагряване на метал са създадени високочестотни мощни тиристорни агрегати, които осигуряват голям технически и икономически ефект чрез увеличаване на експлоатационния им живот в сравнение с електрическите машинни агрегати.

Въз основа на въвеждането на полупроводникови преобразуватели е извършена реконструкция на електрически подстанции за мобилен електрически транспорт. Значително подобрено качество на някои технологични процесив електрометалургичната и химическата промишленост чрез въвеждането на токоизправителни единици с дълбоко регулиране на изходното напрежение и ток.

Предимствата на полупроводниковите преобразуватели определят широкото им използване в системи за непрекъсваемо захранване. Обхватът на приложение на силови електронни устройства в областта на битовата електроника (регулатори на напрежение и др.) се разшири.

От началото на 80-те години, благодарение на интензивното развитие на електрониката, започва създаването на ново поколение силова електроника. Основата за това е разработването и индустриализирането на нови видове силови полупроводникови устройства: изключващи тиристори, биполярни транзистори, MOS транзистори и др. В същото време скоростта на полупроводниковите устройства, стойностите на граничните параметри на диодите и тиристорите, интегрираните и хибридни технологии за производство на полупроводникови устройства от различни видове са разработени, микропроцесор технологията започна да се въвежда широко за управление и наблюдение на конверторни устройства.

Използването на нова елементна база позволи фундаментално да се подобрят такива важни технически и икономически показатели като ефективност, специфични масови и обемни стойности, надеждност, качество на изходните параметри и др. Установена е тенденция за увеличаване на честотата на преобразуване на електроенергия . Понастоящем са разработени миниатюрни вторични източници на енергия с ниска и средна мощност с междинно преобразуване на електроенергия на честоти в свръхзвуковия диапазон. Развитието на високочестотния диапазон (над 1 MHz) доведе до необходимостта от решаване на комплекс от научни и технически проблеми при проектирането на преобразувателни устройства и осигуряване на тяхната електромагнитна съвместимост като част от технически системи. Техническият и икономически ефект, получен от преминаването към по-високи честоти, напълно компенсира разходите за решаване на тези проблеми. Следователно в момента продължава тенденцията за създаване на много видове преобразувателни устройства с междинна високочестотна връзка.

Трябва да се отбележи, че използването на напълно контролирани високоскоростни полупроводникови устройства в традиционните схеми значително разширява техните възможности за осигуряване на нови режими на работа и, следователно, нови функционални свойства на продуктите на силова електроника.

книга "Основи на силовата електроника"ще позволи на начинаещ радиолюбител стъпка по стъпка, с поялник в ръцете си, през тръните до звездите - от разбирането на основите на силовата електроника до планинските върхове на професионалното умение.

Представената в книгата информация е разделена на три категории нива на обучение за специалисти в областта на силовата електроника. След усвояване на следващия етап от подготовката и отговаряне на уникални изпитни въпроси, студентът се „прехвърля“ на следващото ниво на знания.

Книгата предоставя практическа, теоретична и основна информация, достатъчна, за да позволи на читателя, докато напредва през страниците на книгата, самостоятелно да изчислява, сглобява и конфигурира електронния дизайн, който харесва. За да се подобрят професионалните умения на читателя, книгата съдържа множество проверени от практиката полезни съвети, както и реални схеми на електронни устройства.
Изданието може да бъде полезно за читатели от различни възрасти и нива на обучение, които се интересуват от създаването, проектирането, подобряването и ремонта на елементи и компоненти на силовата електроника.

Въведение

Глава I. Овладяване на основите на силовата електроника
1.1. Дефиниции и закони на електротехниката
1.2. Основни елементи на силовата електроника
1.3. Последователно-паралелно и друго свързване
радиоелектронни елементи
Последователно-паралелно свързване на резистори
Последователно-паралелно свързване на кондензатори
Последователно-паралелно свързване на индуктори
Последователно-паралелно свързване на полупроводникови диоди
Композитни транзистори
Схеми на Дарлингтън и Шиклай-Нортън
Паралелно свързване на транзистори
Последователно свързване на транзистори
1.4. Преходни процеси в RLC вериги
Преходни процеси в CR и RC вериги
Преходни процеси в LR и RL вериги
Преходни процеси в CL и LC вериги
1.5. Линейни трансформаторни захранвания
Типична блокова схема на класическо вторично захранване
Трансформатор
1.6. Токоизправители
1.7. Силови изглаждащи филтри
Едноелементен едносекционен С-филтър
Едноелементен L филтър с една връзка
Двуелементен еднозвенен L-образен LC филтър
Двуелементен едносекционен L-образен RC филтър
Триелементен U-образен диоден изглаждащ филтър с една връзка
Компенсационен филтър
Многовръзкови филтри за антиалиасинг
Активни филтри
Транзисторен антиалиасинг филтър
Филтър с сериен транзистор
Филтър с паралелно свързване на транзистора
Сравнителни характеристики на захранващи филтри
1.8. Стабилизатори на напрежението
Паралелен стабилизатор на напрежението
за повишена мощност на натоварване
Сериен регулатор на напрежението
Сериен компенсационен регулатор
с помощта на операционен усилвател
Стабилизатори на напрежение на интегрални схеми
1.9. Преобразуватели на напрежение
Кондензаторни преобразуватели на напрежение
Преобразуватели на напрежение със самовъзбуждане
Преобразуватели на напрежение с външно възбуждане
Превключващи преобразуватели на напрежение
1.10. Въпроси и задачи за самопроверка на знанията

Глава II. Практически дизайни на силова електроника
2.1. Токоизправители
Еднофазни двуканални и стъпаловидно регулирани токоизправители
Схеми на трифазни (многофазни) токоизправители
Полувълнов многофазен токоизправител
2.2. Умножители на напрежение
2.3. Силови изглаждащи филтри
2.4. DC стабилизатори
Генератори на стабилен ток
Актуално огледало
Генератори на стабилен ток на базата на полеви транзистори
Генератори на стабилен ток на базата на полеви и биполярни транзистори
Генератори на стабилен ток с помощта на операционни усилватели
GTS с помощта на специализирани микросхеми
2.5. Стабилизатори на напрежението
Еталонно напрежение
Паралелен тип стабилизатори на напрежение
на специализирани чипове
Превключващ стабилизиран регулатор на напрежение
Понижаващ импулсен регулатор на напрежението
Лабораторно стабилизирано захранване
Превключващи стабилизатори на напрежение
2.6. Преобразуватели на напрежение
Усилващ DC/DC преобразувател
Стабилизиран преобразувател на напрежение
Преобразувател на напрежение 1,5/9 V за захранване на мултиметъра
Прост преобразувател на напрежение 12/220 V 50 Hz
Преобразувател на напрежение 12V/230V 50 Hz
Типична схема на DC/DC преобразувател с галванична изолация на TOPSwitch
Преобразувател на напрежение 5/5 V с галванична изолация
2.7. Преобразуватели на напрежение за захранване на газоразрядни и светодиодни
източници на светлина
Захранване с ниско напрежение към LDS с регулируема яркост
Преобразувател на напрежение за захранване на луминесцентна лампа
Преобразувател за захранване на LDS към TVS-110LA
Преобразувател на енергия за спестяваща лампа
Драйвери за захранване на LED светлинни източници
за захранване на LED светлинни източници от галванични
АА или акумулаторни батерии
Преобразуватели на напрежение на микросхеми
за захранване на LED светлинни източници от променливотокова мрежа
2.8. Димери
Димери за регулиране на интензитета на лампи с нажежаема жичка
Димери за контрол на интензитета на излъчване
LED източници на светлина
2.9. Батерии и зарядни устройства
Сравнителни характеристики на батерията
Универсални зарядни устройства
за зареждане на NiCd/NiMH батерии
Li-Pol контролер за зареждане батерияна чип
Зарядно за Li-Pol батерия
Устройство за зареждане на LiFePO4 и Li-Ion батерии
Автоматични слънчеви зарядни устройства
Безжични зарядни устройства
2.10. Регулатори и стабилизатори на оборотите на вала на електродвигателя
Характеристики на електродвигателите
DC двигатели
Регулатори на скоростта на постояннотокови двигатели
на интегрални схеми
Автоматичен регулатор на скоростта на охладителя за компютър
Температурно зависим превключвател на вентилатора
Стабилизатор на скоростта на вала на електродвигателя
Регулиране и стабилизиране на скоростта на въртене на постояннотоков двигател
Контролер на скоростта за DC мотор
ШИМ регулатори на скоростта за постояннотокови двигатели
Електрически регулатор на оборотите на двигателя с реверс
AC двигатели
Свързване на трифазен асинхронен електродвигател
към еднофазна мрежа
Трифазно напрежение от електродвигател
Преобразувател на еднофазно към трифазно напрежение
Трифазни генератори на напрежение на базата
електронен аналог на трансформатора на Скот
Генератор на трифазно напрежение с широк диапазон
Честотни преобразуватели за захранване на трифазни асинхронни
електродвигатели
Използване на модулация на ширината на импулса
за регулиране на скоростта на електродвигателя
Регулатор на скоростта на стъпков двигател
Устройство за защита от претоварване на двигателя
2.11. Коректори на фактора на мощността
Триъгълник с капацитет
Методи за коригиране на фактора на мощността
Корекция на пасивния фактор на мощността
Активна корекция на фактора на мощността
2.12. Стабилизатори на мрежово напрежение
Основни характеристики на стабилизаторите
Ферорезонансни стабилизатори
Електромеханични стабилизатори
Електронни стабилизатори
Инверторни стабилизатори
Непрекъсваеми или резервни захранвания
2.13. Ремонт и настройка на силова електроника
2.14. Въпроси и задачи за самопроверка на знанията
за да преминете към следващата стъпка

Глава III. Професионални технически решения за проблеми със силова електроника
3.1. Методически основи на инженерно-техническото творчество при решаване
практически проблеми на радиоелектрониката
3.2. Методи за решаване на творчески проблеми
Решаване на творчески задачи от първо ниво на сложност
Време или метод с вариообектив
Решаване на творчески задачи от второ ниво на сложност
Мозъчна атака (мозъчна атака, мозъчна атака)
Решаване на творчески задачи от трето ниво на сложност
Функционален и разходен анализ
Проблеми със силова електроника
за развитието на творческото въображение
3.3. Патенти и нови идеи в областта на силовата електроника
Нови патенти в областта на силовата електроника
Компенсационен стабилизатор на постоянно напрежение
Стабилизатор на постоянно напрежение
Преобразувател AC към DC
Униполярен към биполярен преобразувател на напрежение
Micropower униполярен към биполярен преобразувател на напрежение
Бариерно-съпротивителни елементи - баристори и тяхното приложение
Индукционно нагряване
Токов трансформатор за отопление на охлаждащата течност
3.4. Силова електроника на необичайни явления
Парадоксални експерименти и тяхното тълкуване
Кирлианова фотографска техника
Инсталация за изследване на газоразрядни процеси
Схеми на устройствата за Кирлианова фотография
Генератор за получаване на Кирлианови снимки
Апарати за ултратонална терапия
Електронни радиоактивни прахоуловители - електронна прахосмукачка
Йонен двигател
йонолет
Йонофон или пееща дъга
Плазмена топка
Прост линеен ускорител - оръдие на Гаус
Railgun
3.5. Характеристики на използването на пасивни елементи в силовата електроника
Редове със стойности на резистори и кондензатори
Резистори за силова електроника
Кондензатори за силова електроника
Честотни характеристики на различни видове кондензатори
Алуминиеви електролитни кондензатори
Танталови електролитни кондензатори
Индуктори за силова електроника
Основни параметри на индукторите
Честотни свойства на индукторите
3.6. Характеристики на използването на полупроводникови устройства в силовата електроника
Свойства на p-p преход
Биполярни транзистори
MOSFET и IGBT транзистори
3.7.Снабери
3.8. Охлаждане на елементи на силова електроника
Сравнителни характеристики на охладителните системи
Въздушно охлаждане
Течно охлаждане
Термични охладители, използващи ефекта на Пелтие
Пиезоелектрични активни охлаждащи модули
3.9. Въпроси и задачи за самопроверка на знанията

Приложение 1. Методи за навиване на тороидални трансформатори
Приложение 2. Мерки за безопасност при производство и пускане в експлоатация
и работа на устройства за силова електроника
Списък на литературата и Интернет ресурси

Изтеглете Основи на силовата електроника (2017) Шустов М.А.

Рецензент доктор на техническите науки F. I. Kovalev

Очертани са принципите на преобразуване на електрическата енергия: коригиране, инверсия, преобразуване на честота и др. Описани са основните схеми на преобразуващите устройства, методите за тяхното управление и регулиране на основните параметри, показани са области на рационално използване на различни видове преобразуватели. Разгледани са характеристиките на дизайна и експлоатацията.

За инженери и техници в разработката и експлоатацията електрически системи, съдържащи преобразувателни устройства, както и участващи в тестване и обслужване на преобразувателно оборудване.

Розанов Ю. К. Основи на силовата електроника. - Москва, издателство Енергоатомиздат, 1992. - 296 с.

Предговор
Въведение

Глава първа. Основни елементи на силовата електроника
1.1. Силови полупроводници
1.1.1. Силови диоди
1.1.2. Силови транзистори
1.1.3. Тиристори
1.1.4. Приложения на силови полупроводникови устройства
1.2. Трансформатори и реактори
1.3. Кондензатори

Глава втора. Токоизправители
2.1. Обща информация
2.2. Основни изправителни вериги
2.2.1. Еднофазна пълновълнова верига със средна точка
2.2.2. Еднофазна мостова верига
2.2.3. Трифазна верига със средна точка
2.2.4. Трифазна мостова верига
2.2.5. Многомостови вериги
2.2.6. Хармоничен състав на изправено напрежение и първични токове в изправителни вериги
2.3. Режими на превключване и работа на токоизправители
2.3.1. Комутационни токове в изправителни вериги
2.3.2. Външни характеристики на токоизправителите
2.4. Енергийни характеристики на токоизправителите и начини за тяхното подобряване
2.4.1. Фактор на мощността и ефективност на токоизправителите
2.4.2. Подобряване на фактора на мощността на управляваните токоизправители
2.5. Характеристики на работата на токоизправители за капацитивен товар и обратно ЕМП
2.6. Anti-aliasing филтри
2.7. Работа на токоизправител от източник със сравнима мощност

Глава трета. Инвертори и честотни преобразуватели
3.1. Задвижвани от мрежата инвертори
3.1.1. Еднофазен инвертор със средна точка
3.1.2. Трифазен мостов инвертор
3.1.3. Баланс на мощността в задвижван от мрежата инвертор
3.1.4. Основни характеристики и режими на работа на мрежови инвертори
3.2. Автономни инвертори
3.2.1. Токови инвертори
3.2.2. Инвертори на напрежение
3.2.3. Инвертори на напрежение на базата на тиристори
3.2.4. Резонансни инвертори
3.3. Честотни преобразуватели
3.3.1. Честотни преобразуватели с междинно DC звено
3.3.2. Директно свързани честотни преобразуватели
3.4. Регулиране на изходното напрежение на автономни инвертори
3.4.1. Общи принципи на регулиране
3.4.2. Устройства за управление на токови инвертори
3.4.3. Регулиране на изходното напрежение чрез широчинно-импулсна модулация (PWM)
3.4.4. Геометрично добавяне на напрежения
3.5. Методи за подобряване на формата на вълната на изходното напрежение на инвертори и честотни преобразуватели
3.5.1. Влиянието на несинусоидалното напрежение върху потребителите на електроенергия
3.5.2. Инверторни изходни филтри
3.5.3. Намаляване на висшите хармоници в изходното напрежение без използване на филтри

Глава четвърта. Регулатори-стабилизатори и статични контактори
4.1. Регулатори на AC напрежение
4.2. DC регулатори-стабилизатори
4.2.1. Параметрични стабилизатори
4.2.2. Непрекъснати стабилизатори
4.2.3. Превключващи регулатори
4.2.4. Разработване на структури на импулсен регулатор
4.2.5. Тиристорно-кондензаторни постояннотокови регулатори с дозирано предаване на енергия към товара
4.2.6. Комбинирани преобразуватели-регулатори
4.3. Статични контактори
4.3.1. Тиристорни AC контактори
4.3.2. Тиристорни постояннотокови контактори

Глава пета. Системи за управление на преобразуватели
5.1. Обща информация
5.2. Блокови схеми на системи за управление на преобразувателни устройства
5.2.1. Системи за управление на токоизправители и зависими инвертори
5.2.2. Системи за управление на честотен преобразувател с директна връзка
5.2.3. Системи за управление на автономни инвертори
5.2.4. Системи за управление на регулатори и стабилизатори
5.3. Микропроцесорни системи в преобразувателната техника
5.3.1. Типични обобщени микропроцесорни структури
5.3.2. Примери за използване на микропроцесорни системи за управление

Глава шеста. Приложения на силови електронни устройства
6.1. Области на рационално приложение
6.2. Общи технически изисквания
6.3. Защита в аварийни режими
6.4. Оперативен мониторинг и диагностика на техническото състояние
6.5. Осигуряване на паралелна работа на преобразуватели
6.6. Електромагнитни смущения
Референции

Референции
1. GOST 20859.1-89 (ST SEV 1135-88). Полупроводникови силови устройства от една унифицирана серия. Общи технически условия.

2. Чебовски О. Г., Моисеев Л. Г., Недошивин Р. П. Силови полупроводникови устройства: Наръчник. -2-ро изд., преработено. и допълнителни М.: Енергоатомиздат, 1985.

3 Iravis V. Дискретни силови полупроводници //EDN. 1984. Том. 29, N 18. С. 106-127.

4. Nakagawa A.e.a. 1800V биполярен MOSFET (IGBT) /A. Накагава, К. Имамуре, К. Фурукава // Toshiba Review. 1987. N 161. С. 34-37.

5 Chen D. Полупроводници: бързи, здрави и компактни // IEEE Spectrum. 1987. Том. 24, N 9. С. 30-35.

6. Силови полупроводникови модули в чужбина / В. Б. Зилберщайн, С. В. Машин, В. А. Потапчук и др. // Електрическа индустрия. сер. 05. Технология за преобразуване на енергия. 1988. Том. 18. С. 1-44.

7. Rischmiiller K. Smatries intelligente Ihstungshalbeitereine neue Halblieter-generation // Electronikpraxis. 1987. N6. С. 118-122.

8. Русин Ю. С., Горски А. Н., Розанов К. Изследване на зависимостта на обемите на електромагнитните елементи от честотата // Електрическа индустрия. Технология на преобразуване. 1983. № 10. С. 3-6.

9. Електрически кондензатори и кондензаторни инсталации: Ръководство / V. P. Berzan, B. Yu Gelikman, M. N. Guraevsky и др. Г. С. Кучински. М.: Енергоатомиздат, 1987.

10. Полупроводникови токоизправители / Ed. Ф. И. Ковальов и Г. П. Мосткова. М.: Енергия, 1978.

11. Конфигурация на веригата на преобразувателя GTO за свръхпроводящо съхранение на магнитна енергия / Toshifumi JSE, James J. Skiles, Kohert L., K. V. Stom, J. Wang//IEEE 19th Power Electronics Specialists Conference (PESC"88), Kyoto, Japan, 11 - 14 април 1988 г. С. 108-115.

12. Розанов Ю. К. Основи на технологията на преобразувателите на мощност. М.: Енергия, 1979.

13. Чиженко И. М., Руденко В. С., Сейко В. И. Основи на конверторната технология. М.: висше училище, 1974.

14. Иванов В. А. Динамика на автономни инвертори с директно превключване. М.: Енергия, 1979.

15. Ковальов Ф.И., Мустафа Г.М., Барегемян Г.В. Управление чрез изчислена прогноза на импулсен преобразувател със синусоидално изходно напрежение // Електрическа индустрия. Технология на преобразуване. 1981. № 6(34).Стр. 10-14.

16. Middelbrook R. D. Изолация и множество изходни разширения на нова оптимална топология за превключване DC - tV - DC конвертор // IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC"78), 1978. P. 256-264.

17. Булатов О. Г., Царенко А. И. Тиристорно-кондензаторни преобразуватели. М. Енергоиздат, 1982.

18. Розинов Ю. К. Полупроводникови преобразуватели с високочестотна връзка. М.: Енергоатомиздат, 1987.

19. Калабеков А. А. Микропроцесори и тяхното приложение в системи за предаване и обработка на сигнали. М.: Радио и комуникация, 1988.

20. Строганов Р. П. Машини за управление и тяхното приложение. М.: Висше училище, 1986.

21. Обухов С. Т., Рамизевич Т. В. Приложение на микрокомпютри за управление на вентилни преобразуватели // Електрическа индустрия. Технология на преобразуване. 1983. Том. 3 (151). стр. 9

22. Управление на вентилни преобразуватели на базата на микропроцесори / Ю. М. Биков, И. Т. Раскин, Л. П. Деткин // Електротехническа индустрия. Технология на преобразуване. 1985. Vol. 10. С. 117.

23. Matsui N., Takeshk T., Vura M. Едночипов микрокомпютърен контролер за MC Hurray Juneter // IEEE Transactions on industrial electronics, 1984. Vol. JE-31, N 3. P. 249-254.

24. Булатов О. Г., Иванов В. С., Панфилов Д. И. Полупроводникови зарядни устройства за капацитивни устройства за съхранение на енергия. М.: Радио и комуникация, 1986.

ПРЕДГОВОР

Силовата електроника е постоянно развиваща се и обещаваща област на електротехниката. Напредъкът в съвременната силова електроника оказва голямо влияние върху темпото на технологичния прогрес във всички развити индустриални общества. В тази връзка е необходимо широк кръг от научни и технически работници да имат по-ясно разбиране на основите на съвременната силова електроника.

Силовата електроника в момента е доста добре развита теоретични основи, но авторът не си е поставил за задача дори частично да ги представи, тъй като на тези въпроси са посветени множество монографии и учебници. Съдържанието на тази книга и методологията за нейното представяне са предназначени предимно за инженерно-технически работници, които не са специалисти в областта на силовата електроника, но са свързани с използването и експлоатацията на електронни устройства и апарати и които искат да придобият разбиране на основните принципи на работа на електронните устройства, тяхната схема и общи разпоредбиза развитие и експлоатация. В допълнение, повечето раздели на книгата могат да се използват и от студенти от различни технически специалности образователни институциипри изучаване на дисциплини, чиято учебна програма включва въпроси на силовата електроника.

Дата на публикуване: 12.10.2017 г

Знаете ли основите на силовата електроника?

Можем да проследим огромния напредък по този въпрос до разработването на търговски тиристори или силициеви токоизправители (SCR) от General Electric Co.

Концепция за силова електроника

Силова електроника- една от модерните теми в електротехниката, която в напоследъкпостигна голям успех и повлия на живота на хората в почти всички области. Ние самите използваме толкова много силови електронни приложения в ежедневието си, без дори да го осъзнаваме. Сега възниква въпросът: "Какво е силова електроника?"

Можем да дефинираме силовата електроника като предмет, който е хибрид от мощност, аналогова електроника, полупроводникови устройства и системи за управление. Ние основаваме основите на всяка единица и ги прилагаме в комбинирана форма, за да произвеждаме регулирана форма на електрическа енергия. Самата електрическа енергия не може да се използва, докато не се преобразува в осезаема форма на енергия като движение, светлина, звук, топлина и т.н. За да регулирате тези форми на енергия, по ефективен начине регулирането на самата електрическа енергия и тези форми са съдържанието на предмета силова електроника.

Можем да проследим огромния напредък по този въпрос до разработването на търговски тиристори или силициеви токоизправители (SCR) от General Electric Co. през 1958г. Преди това управлението на електрическата енергия се извършваше главно с помощта на тиратрони и токоизправители с живачна дъга, които работят на принципа на физическите явления в газове и пари. След SCR се появиха много електронни устройства с висока мощност, като GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT, IGCT и т.н. Тези устройства са оценени на няколкостотин волта и ампера, за разлика от устройствата с ниво на сигнала, които работят на няколко волта и ампера.

За да постигнат целта на силовата електроника, устройствата действат като нищо повече от превключвател. Всички силови електронни устройства действат като превключвател и имат два режима, т.е. ВКЛ. и ИЗКЛ. Например, BJT (биполярен съединителен транзистор) има три области на работа в изходните характеристики, деактивирани, активни и наситени. В аналоговата електроника, където BJT трябва да действа като усилвател, веригата е проектирана да го насочва към активната област на работа. Въпреки това, в силовата електроника, BJT ще работи в областта на прекъсване, когато е изключен, и в областта на насищане, когато е включен. Сега, когато устройствата трябва да работят като превключвател, те трябва да следват основната характеристика на превключвателя, тоест, когато превключвателят е включен, той има нулев спад на напрежението върху него и предава през него пълен ток, и когато е в състояние ИЗКЛЮЧЕНО, има общ спад на напрежението върху него и нулев ток, протичащ през него.

Сега, тъй като и в двата режима стойността на V или I е нула, мощността на превключвателя също винаги е нула. Тази характеристика се визуализира лесно в механичен превключвател и същото трябва да се спазва при силов електронен превключвател. Въпреки това, почти винаги има ток на утечка през устройствата, когато е в състояние OFF, т.е. Ileakage ≠ 0 и винаги има спад на напрежението във включено състояние, т.е. Von ≠ 0. Големината на Von или Ileakage обаче е много по-малка и следователно мощността през устройството също е много малка, от порядъка на няколко миливолта . Тази мощност се разсейва в устройството и следователно правилното отвеждане на топлината от устройството е важен аспект. Освен тези загуби в състояние и състояние OFF, има и загуби при превключване в силови електронни устройства. Това се случва главно, когато превключвателят се превключва от един режим на друг и V и I през устройството се променят. В силовата електроника и двете загуби са важни параметривсяко устройство и са необходими за определяне на неговите номинални стойности на напрежение и ток.

Само силовите електронни устройства не са толкова полезни в практически приложенияи следователно изискват проектиране с верига заедно с други поддържащи компоненти. Тези поддържащи компоненти са подобни на частта за вземане на решения, която контролира захранващите електронни превключватели за постигане на желания резултат. Това включва веригата на запалване и веригата за обратна връзка. Блоковата схема по-долу показва проста силова електронна система.

Блокът за управление получава изходните сигнали от сензорите и ги сравнява с еталонните и съответно въвежда входния сигнал във веригата за запалване. Задействащата верига е основно верига за генериране на импулси, която произвежда импулсен изход по такъв начин, че да управлява силовите електронни превключватели в главния блок на веригата. Крайният резултат е, че товарът получава необходимата електрическа мощност и следователно осигурява желания резултат. Типичен пример за горната система би бил контролът на скоростта на двигателите.

Има основно пет вида силови електронни вериги, всяка с различно предназначение:

1. Токоизправители - Преобразува фиксиран AC ток в AC DC
2. Чопъри - конвертира постоянно D.C.към AC DC
3. Инвертори - преобразуват постоянен ток в променлив ток с променлива амплитуда и променлива честота
4. Контролери за променливотоково напрежение - Преобразува фиксиран променлив ток в променлив ток при същата входна честота
5. Циклоконвертори - преобразува фиксиран променлив ток в променлив променлив ток с променлива честота

Има често срещано погрешно схващане относно термина конвертор. Преобразувателят е основно всяка верига, която преобразува електричеството от една форма в друга. Следователно всички изброени пет са видове конвертори.