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.

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
    • 2.3.1. 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 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
    • 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

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.

Книга "Основы силовой электроники" позволит начинающему радиолюбителю поэтапно с паяльником в руках пройти сквозь тернии к звездам - от постижения азов силовой электроники к горным вершинам профессионального мастерства.

Изложенные в книге сведения разделены на три категории уровней подготовки специалиста в области силовой электроники. После овладения очередным этапом подготовки и ответа на своеобразные экзаменационные вопросы учащийся "переводится" на следующий уровень знаний.

В книге приводятся практические, теоретические и справочные сведения, достаточные для того, чтобы читатель по мере продвижения по страницам книги смог самостоятельно рассчитать, собрать и настроить понравившуюся ему электронную конструкцию. Для повышения профессионального мастерства читателя в книге приведены многочисленные проверенные практикой полезные советы, а также реальные схемы электронных устройств.
Издание может быть полезно читателям разного возраста и уровня подготовки, интересующихся вопросами создания, проектирования, совершенствования и ремонта элементов и узлов силовой электроники.

Введение

Глава I. Осваиваем основы силовой электроники
1.1. Определения и законы электротехники
1.2. Основные элементы силовой электроники
1.3. Последовательно-параллельное и иное включение
элементов радиоэлектроники
Последовательно-параллельное включение резисторов
Последовательно-параллельное включение конденсаторов
Последовательно-параллельное включение катушек индуктивности
Последовательно-параллельное включение полупроводниковых диодов
Составные транзисторы
Схемы Дарлингтона и Шиклаи-Нортона
Параллельное включение транзисторов
Последовательное включение транзисторов
1.4. Переходные процессы в RLC-цепях
Переходные процессы в CR- и RC-цепях
Переходные процессы в LR- и RL-цепях
Переходные процессы в CL- и LC-цепях
1.5. Линейные трансформаторные источники питания
Типовая блок-схема классического вторичного источника питания
Трансформатор
1.6. Выпрямители
1.7. Сглаживающие фильтры питания
Одноэлементный однозвенный С-фильтр
Одноэлементный однозвенный L-фильтр
Двухэлементный однозвенный Г-образный LC-фильтр
Двухэлементный однозвенный Г-образный RC-фильтр
Трехэлементный однозвенный П-образный диодный сглаживающий фильтр
Компенсационный фильтр
Многозвенные сглаживающие фильтры
Активные фильтры
Транзисторный сглаживающий фильтр
Фильтр с последовательным транзистором
Фильтр с параллельным включением транзистора
Сравнительные характеристики фильтров источников питания
1.8. Стабилизаторы напряжения
Параллельный стабилизатор напряжения
на повышенную мощность нагрузки
Последовательный стабилизатор напряжения
Последовательный компенсационный стабилизатор
с применением операционного усилителя
Стабилизаторы напряжения на интегральных микросхемах
1.9. Преобразователи напряжения
Конденсаторные преобразователи напряжения
Преобразователи напряжения с самовозбуждением
Преобразователи напряжения с внешним возбуждением
Импульсные преобразователи напряжения
1.10. Вопросы и задачи для самопроверки знаний

Глава II. Практические конструкции силовой электроники
2.1. Выпрямители
Однофазные двухканальные и ступенчато-регулируемые выпрямители
Схемы трехфазных (многофазных) выпрямителей
Однополупериодный многофазный выпрямитель
2.2. Умножители напряжения
2.3. Сглаживающие фильтры питания
2.4. Стабилизаторы постоянного тока
Генераторы стабильного тока
Токовое зеркало
Генераторы стабильного тока на полевых транзисторах
Генераторы стабильного тока на полевых и биполярных транзисторах
Генераторы стабильного тока с применением операционных усилителей
ГСТ с использованием специализированных микросхем
2.5. Стабилизаторы напряжения
Источники опорного напряжения
Стабилизаторы напряжения параллельного типа
на специализированных микросхемах
Импульсный стабилизированный регулятор напряжения
Понижающий импульсный регулятор напряжения
Лабораторный стабилизированный блок питания
Импульсные стабилизаторы напряжения
2.6. Преобразователи напряжения
Повышающий DC/DC-преобразователь
Стабилизированный преобразователь напряжения
Преобразователь напряжения 1,5/9 В для питания мультиметра
Простой преобразователь напряжения 12/220 В 50 Гц
Преобразователь напряжения 12В/230В 50 Гц
Типовая схема DC/DC конвертора с гальванической развязкой на TOPSwitch
Преобразователь напряжения 5/5 В с гальванической развязкой
2.7. Преобразователи напряжения для питания газоразрядных и светодиодных
источников света
Низковольтное питание ЛДС с регулировкой их яркости
Преобразователь напряжения для питания лампы дневного света
Преобразователь для питания ЛДС на ТВС-110ЛА
Преобразователь питания энергосберегающей лампы
Драйверы для питания светодиодных источников света
для питания светодиодных источников света от гальванических
пальчиковых или аккумуляторных батарей
Преобразователи напряжения на микросхемах
для питания светодиодных источников света от сети переменного тока
2.8. Диммеры
Диммеры для управления интенсивностью свечения ламп накаливания
Диммеры для управления интенсивностью излучения
светодиодных источников света
2.9. Аккумуляторы и зарядные устройства
Сравнительные характеристики аккумуляторов
Универсальные зарядные устройства
для заряда NiCd/NiMH-аккумуляторов
Контроллер заряда Li-Pol аккумуляторной батареи на микросхеме
Зарядное устройство для Li-Pol аккумуляторной батареи
Устройство для заряда LiFePO4 и Li-Ion аккумуляторов
Автоматические зарядные устройства с питанием от солнечной батареи
Беспроводные зарядные устройства
2.10. Регуляторы и стабилизаторы частоты вращения вала электродвигателей
Характеристики электродвигателей
Электродвигатели постоянного тока
Регуляторы частоты вращения электродвигателей постоянного тока
на интегральных микросхемах
Авторегулятор оборотов кулера для компьютера
Температурозависимый коммутатор вентилятора
Стабилизатор частоты вращения вала электродвигателя
Регулировка и стабилизация частоты вращения двигателя постоянного тока
Регулятор скорости для электродвигателя постоянного тока
ШИМ-регуляторы оборотов двигателей постоянного тока
Регулятор числа оборотов электродвигателя с реверсированием
Электродвигатели переменного тока
Подключение трехфазного асинхронного электродвигателя
к однофазной сети
Трехфазное напряжение из электродвигателя
Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное
Формирователи трехфазного напряжения на основе
электронного аналога трансформатора Скотта
Широкодиапазонный генератор трехфазного напряжения
Частотные преобразователи для питания трехфазных асинхронных
электродвигателей
Использование широтно-импульсной модуляции
для регулирования оборотов электродвигателя
Регулятор числа оборотов шагового электродвигателя
Устройство защиты электродвигателя от перегрузки
2.11. Корректоры коэффициента мощности
Треугольник мощностей
Методы коррекции коэффициента мощности
Пассивная коррекция коэффициента мощности
Активная коррекция коэффициента мощности
2.12. Стабилизаторы сетевого напряжения
Основные характеристики стабилизаторов
Феррорезонансные стабилизаторы
Электромеханические стабилизаторы
Электронные стабилизаторы
Инверторные стабилизаторы
Источники бесперебойного или резервного питания
2.13. Ремонт и налаживание узлов силовой электроники
2.14. Вопросы и задачи для самопроверки знаний
для перехода на следующую ступень

Глава III. Профессиональные технические решения вопросов силовой электроники
3.1. Методологические основы инженерно-технического творчества в решении
практических задач радиоэлектроники
3.2. Методы решения творческих задач
Решение творческих задач первого уровня сложности
Метод временной или масштабной лупы
Решение творческих задач второго уровня сложности
Мозговой штурм (мозговая атака, брейнсторминг)
Решение творческих задач третьего уровня сложности
Функционально-стоимостный анализ
Задачи по силовой электронике
для развития творческого воображения
3.3. Патенты и новые идеи в области силовой электроники
Новые патенты в области силовой электроники
Компенсационный стабилизатор постоянного напряжения
Стабилизатор постоянного напряжения
Понижающий преобразователь переменного напряжения в постоянное
Преобразователь однополярного напряжения в двуполярное
Микромощный преобразователь однополярного напряжения в двуполярное
Барьерно-резистивные элементы - баристоры и их применение
Индукционный нагрев
Трансформатор тока для нагрева теплоносителя
3.4. Силовая электроника необычных явлений
Парадоксальные эксперименты и их интерпретация
Техника кирлиановской фотографии
Установка для исследования газоразрядных процессов
Схемотехника аппаратов для «кирлиановской» фотографии
Генератор для получения «кирлиановских» фотографий
Аппараты для ультратоновой терапии
Электронные уловители радиоактивной пыли - электронный пылесос
Ионный двигатель
Ионолет
Ионофон или поющая дуга
Плазменный шар
Простой линейный ускоритель - Гаусс-пушка
Рельсотрон (railgun)
3.5. Особенности использования пассивных элементов в силовой электронике
Ряды номиналов резисторов и конденсаторов
Резисторы для силовой электроники
Конденсаторы для силовой электроники
Частотные характеристики конденсаторов различных типов
Алюминиевые электролитические конденсаторы
Танталовые электролитические конденсаторы
Индуктивности для силовой электроники
Основные параметры катушек индуктивности
Частотные свойства катушек индуктивности
3.6. Особенности использования полупроводниковых приборов в силовой электронике
Свойства п-р-перехода
Биполярные транзисторы
MOSFET- и IGBT-транзисторы
3.7.Снабберы
3.8. Охлаждение элементов силовой электроники
Сравнительные характеристики систем охлаждения
Воздушное охлаждение
Жидкостное охлаждение
Термоохладители с использованием эффекта Пельтье
Пьезоэлектрические модули активного охлаждения
3.9. Вопросы и задачи для самопроверки знаний

Приложение 1. Способы намотки тороидальных трансформаторов
Приложение 2. Техника безопасности при изготовлении, наладке
и эксплуатации устройств силовой электроники
Список литературы и Интернет-ресурсов

Скачать Основы силовой электроники (2017) Шустов М.А.

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.

Published Date: 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.