Zinoviev G.S. Grundläggande kraftelektronik

Kraftelektronikär ett område av vetenskap och teknik som löser problemet med att skapa kraftelektroniska enheter, såväl som problemet med att erhålla betydande elektrisk energi, kontrollera kraftfulla elektriska processer och omvandla elektrisk energi till tillräckligt stor energi av en annan typ när dessa enheter används som huvud verktyg.

Halvledarbaserade kraftelektronikenheter diskuteras nedan. Dessa enheter är de mest använda.

Solcellerna som diskuterats ovan har använts under lång tid för att generera elektrisk energi. För närvarande är denna energis andel av den totala elvolymen liten. Men många forskare, inklusive Nobelpristagaren akademiker Zh.I. Alferov, betrakta solceller som mycket lovande källor till elektrisk energi som inte stör energibalansen på jorden.

Kontroll av högeffekts elektriska processer är just problemet där krafthalvledarenheter redan används i stor utsträckning, och intensiteten av deras användning ökar snabbt. Detta förklaras av fördelarna med effekthalvledarenheter, varav de viktigaste är hög hastighet, lågt fall i öppet tillstånd och lågt fall i stängt tillstånd (vilket säkerställer låga effektförluster), hög tillförlitlighet, betydande ström- och spänningsbelastningskapacitet, liten storlek och vikt, lätt att använda, organisk enhet med halvledarenheter av informationselektronik, vilket underlättar kombinationen av högströms- och lågströmselement.

Intensivt forskningsarbete kring kraftelektronik har lanserats i många länder, och tack vare detta förbättras krafthalvledarenheter, såväl som elektroniska enheter baserade på dem, ständigt. Detta säkerställer en snabb expansion av kraftelektronikapplikationer, vilket i sin tur stimulerar forskning. Här kan vi prata om positiv feedback på omfattningen av ett helt område av mänsklig aktivitet. Resultatet är kraftelektronikens snabba penetration i en mängd olika tekniska områden.

En särskilt snabb spridning av kraftelektronikenheter började efter skapandet av kraftfälteffekttransistorer och IGBT:er.

Detta föregicks av en ganska lång period när den huvudsakliga krafthalvledarenheten var en olåst tyristor, skapad på 50-talet av förra seklet. Icke-låsande tyristorer har spelat en framträdande roll i utvecklingen av kraftelektronik och används i stor utsträckning idag. Men oförmågan att stänga av med kontrollpulser försvårar ofta användningen av dem. I årtionden har utvecklare av kraftenheter varit tvungna att förlika sig med denna nackdel, i vissa fall använda ganska komplexa kraftkretskomponenter för att stänga av tyristorer.

Den utbredda användningen av tyristorer ledde till populariteten för termen "tyristorteknologi", som uppstod vid den tiden, som användes i samma mening som termen "kraftelektronik."

De bipolära krafttransistorerna som utvecklades under denna period hittade sitt användningsområde, men förändrade inte radikalt situationen inom kraftelektronik.

Först med tillkomsten av kraftfälteffekttransistorer och 10 watt var helt kontrollerbara elektroniska omkopplare i händerna på ingenjörer, närmade sig idealiska i sina egenskaper. Detta underlättade avsevärt lösningen av en mängd olika problem relaterade till kontroll av kraftfulla elektriska processer. Närvaron av ganska avancerade elektroniska omkopplare gör det möjligt att inte bara omedelbart ansluta en last till en konstant eller alternerande källa och koppla från den, utan också att generera mycket stora strömsignaler eller nästan vilken form som helst för den.

De vanligaste typiska kraftelektronikenheterna är:

kontaktlösa växlingsenheter växel- och likström (brytare), utformade för att slå på eller stänga av en belastning i en växel- eller likströmskrets och, ibland, för att reglera belastningens effekt;

likriktare, transformering av en variabel i en polaritet (enkelriktad);

växelriktare, omvandla en konstant till en variabel;

frekvensomvandlare konvertera en variabel med en frekvens till en variabel med en annan frekvens;

DC-omvandlare(omvandlare) som omvandlar en konstant för en kvantitet till en konstant för en annan kvantitet;

fasnummeromvandlare konvertera en alternerande variabel med ett antal faser till en alternerande med ett annat antal faser (vanligtvis omvandlas enfas till trefas eller trefas till enfas);

kompensatorer(effektfaktorkorrigerare), utformade för att kompensera för reaktiv effekt i växelströmsnätet och för att kompensera för distorsion i ström- och spänningsvågformerna.

I huvudsak utför kraftelektronikenheter omvandlingen av elektriska signaler med hög effekt. Därför kallas kraftelektronik även omvandlarteknik.

Kraftelektronikenheter, både standard och specialiserade, används inom alla teknikområden och i nästan all ganska komplex vetenskaplig utrustning.

Som en illustration anger vi några objekt där kraftelektronikenheter utföra viktiga funktioner:

Elektrisk drivning (styrning av hastighet och vridmoment, etc.);

Installationer för elektrolys (icke-järnmetallurgi, kemisk industri);

Elektrisk utrustning för överföring av elektricitet över långa avstånd med likström;

Elektrometallurgisk utrustning (elektromagnetisk blandning av metall, etc.);

Elektrotermiska installationer (induktionsvärme, etc.);

Elektrisk utrustning för laddning av batterier;

Datorer;

Elektrisk utrustning för bilar och traktorer;

Elektrisk utrustning för flygplan och rymdfarkoster;

Radiokommunikationsanordningar;

Utrustning för televisionssändning;

Apparater för elektrisk belysning (strömförsörjning för lysrör etc.);

Medicinsk elektrisk utrustning (ultraljudsterapi och kirurgi, etc.);

Elverktyg;

Konsumentelektronikapparater.

Utvecklingen av kraftelektronik förändrar också själva metoderna för att lösa tekniska problem. Till exempel bidrar skapandet av effektfälteffekttransistorer och IGBT:er avsevärt till att utöka tillämpningsområdet för induktormotorer, som inom ett antal områden ersätter kommutatormotorer.

En betydande faktor som har en gynnsam effekt på spridningen av kraftelektronikenheter är framgången för informationselektronik och i synnerhet mikroprocessorteknik. För att styra kraftfulla elektriska processer används allt mer komplexa algoritmer, som endast kan implementeras rationellt med hjälp av tillräckligt avancerade informationselektronikenheter.

Effektiv gemensam användning av framsteg inom kraft- och dataelektronik ger verkligt enastående resultat.

Befintliga enheter för att omvandla elektrisk energi till en annan typ av energi vid direkt användning av halvledarenheter har ännu inte hög uteffekt. Men även här erhölls uppmuntrande resultat.

Halvledarlasrar omvandlar elektrisk energi till koherent strålningsenergi i det ultravioletta, synliga och infraröda området. Dessa lasrar föreslogs 1959 och implementerades först med galliumarsenid (GaAs) 1962. Halvledarbaserade lasrar kännetecknas av hög effektivitet (över 10%) och lång livslängd. De används till exempel i infraröda strålkastare.

Ultraljusa vita lysdioder, som dök upp på 90-talet av förra seklet, används redan i vissa fall för belysning istället för glödlampor. Lysdioder är betydligt mer ekonomiska och har betydligt längre livslängd. Det förväntas att omfattningen av LED-belysning kommer att expandera snabbt.

• pdf-format
• storlek 4,64 MB
• tillagd 24 oktober 2008

Lärobok. – Novosibirsk: NSTU Publishing House, 1999.

Delar: 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4

Denna lärobok är avsedd (med två nivåer av djuppresentation av materialet) för studenter vid fakulteterna för FES, EMF, som inte är "specialister" på kraftelektronik, utan studerar kurser med olika titlar om användning av kraftelektronikenheter inom elkraft, elektromekaniska och elektriska system. Delar av läroboken, markerade med blocktypsnitt, är avsedda (även på två nivåer av presentationsdjup) för en ytterligare, djupare studie av kursen, vilket gör att den kan användas som en lärobok för studenter inom specialiteten "Promelelectronics" REF , som förbereder sig "som specialister" inom kraftelektronik. Den föreslagna utgåvan implementerar alltså "fyra i ett"-principen. Granskningar av vetenskaplig och teknisk litteratur om relevanta avsnitt av kursen som läggs till enskilda avsnitt gör det möjligt att rekommendera manualen som en informationspublikation för både studenter och doktorander.

Förord.
Vetenskapliga, tekniska och metodologiska grunder för studiet av kraftelektronikenheter.
Metodik för en systemansats för analys av kraftelektronikenheter.
Energiindikatorer för kvaliteten på energiomvandling i ventilomvandlare.
Energiindikatorer för kvaliteten på elektromagnetiska processer.
Energiindikatorer för kvaliteten på användningen av enhetselement och enheten som helhet.
Elementbas på ventilomvandlare.
Ström halvledarenheter.
Ventiler med ofullständig kontroll.
Ventiler med full kontroll.
Låsbara tyristorer, transistorer.
Transformatorer och reaktorer.
Kondensatorer.
Typer av elektriska energiomvandlare.
Metoder för att beräkna energiindikatorer.
Matematiska modeller av ventilomvandlare.
Metoder för beräkning av omvandlares energiprestanda.
Integral metod.
Spektral metod.
Direkt metod.
Adu metod.
Adu metod.
Adu-metod(1).
Metoder AduM1, Adum2, Adum(1).
Teorin om omvandling av växelström till likström med idealiska parametrar för omvandlaren.
Likriktare som system. Grundläggande definitioner och notationer.
Mekanism för omvandling av växelström till likriktad ström i bascellen Dt/Ot.
Tvåfas enfas strömlikriktare (m1 = 1, m2 = 2, q = 1).
Enfaslikriktare som använder en bryggkrets (m1 = m2 = 1, q = 2).
Trefas strömlikriktare med translindningskopplingsschema.
formatortriangel - stjärna med nollterminal (m1 = m2 = 3, q ​​​​= 1).
Trefas strömlikriktare med stjärnsicksacktransfmed noll (m1 = m2 = 3, q ​​​​= 1).
Sex-fas trefas strömlikriktare med anslutning av sekundärlindningarna i en stjärnomvänd stjärntransformator med en utjämningsreaktor (m1 = 3, m2 = 2 x 3, q ​​​​= 1).
Trefas strömlikriktare som använder en bryggkrets (m1=m2=3, q=2).
Kontrollerade likriktare. Reglerkarakteristisk teori för omvandling av växelström till likström (med återhämtning) med hänsyn till de verkliga parametrarna för omvandlarelementen.
Omkopplingsprocess i en kontrollerad likriktare med en riktig transformator. Yttre egenskaper.
Teorin om likriktardrift på bak-EMF vid ett ändligt värde på induktansen Ld.
Intermittent strömläge (? 2?/qm2).
Extremt kontinuerligt strömläge (? = 2?/qm2).
Kontinuerligt strömläge (? 2?/qm2).
Drift av en likriktare med ett kondensatorutjämningsfilter.
Omkastning av riktningen för det aktiva effektflödet i en ventilomvandlare med tillbaka EMF i DC-länk - beroende inversionsläge.
Beroende enfas strömväxelriktare (m1=1, m2=2, q=1).
Beroende trefasströmomriktare (m1=3, m2=3, q=1).
Allmänt beroende av den primära likriktarströmmen på anoden och likriktade strömmar (Chernyshevs lag).
Spektra av primärströmmar hos transformatorer, likriktare och beroende växelriktare.
Spektra av likriktade och inverterade spänningar för ventilomvandlaren.
Optimering av antalet sekundära faser i likriktartransformatorn. Likvärdiga flerfaslikriktade kretsar.
Inverkan av kommutering på de effektiva värdena för transformatorströmmar och dess typiska effekt.
Verkningsgrad och effektfaktor för en ventilomvandlare i likriktande och beroende inversionsläge.
Effektivitet.
Effektfaktor.
Likriktare med fullt kontrollerade ventiler.
Likriktare med avancerad faskontroll.
Likriktare med pulsbreddsreglering av likriktad spänning.
Likriktare med påtvingad bildning av en kurva av ström som förbrukas från försörjningsnätet.
Reversibel ventilomvandlare (reversibel likriktare).
Elektromagnetisk kompatibilitet hos ventilomvandlaren med strömförsörjningsnätverket.
Modellexempel på elektrisk konstruktion av en likriktare.
Val av likriktarkrets (struktursyntessteg).
Beräkning av parametrar för styrda likriktarkretselement (parametrisk syntessteg).
Slutsats.
Litteratur.
Sakregister.

se även

• djvu-format
• storlek 1,39 MB
• tillagd 20 april 2011

Novosibirsk: NSTU, 1999. - 204 sid. Denna lärobok är avsedd (med två nivåer av djuppresentation av materialet) för studenter vid fakulteterna för FES, EMF, som inte är "specialister" på kraftelektronik, utan studerar kurser med olika titlar om användning av kraftelektronikenheter inom elkraft, elektromekaniska och elektriska system. Delar av läroboken, markerade med blocktypsnitt, är avsedda (även på två nivåer av djup...

Zinovev G.S. Grunderna i kraftelektronik. Del 1

• pdf-format
• storlek 1,22 MB
• tillagd 11 oktober 2010

Novosibirsk: NSTU, 1999. Denna lärobok är avsedd (på två nivåer av djuppresentation av materialet) för studenter vid fakulteterna för FES, EMF, som inte är "specialister" på kraftelektronik, utan läser kurser med olika titlar på användningen av kraftelektronikenheter i elkraft, elektromekaniska, elektriska system. Delar av läroboken, markerade med blocktypsnitt, är avsedda (även med två nivåer av inskriptionsdjup...

Zinoviev G.S. Grundläggande kraftelektronik (1/2)

• pdf-format
• storlek 1,75 MB
• tillagd 19 juni 2007

Lärobok. – Novosibirsk: NSTU Publishing House, del ett. 1999. – 199 sid. Denna lärobok är avsedd (med två nivåer av djuppresentation av materialet) för studenter vid fakulteterna för FES, EMF, som inte är "specialister" på kraftelektronik, utan studerar kurser med olika titlar om användning av kraftelektronikenheter inom elkraft, elektromekaniska och elektriska system. Delar av läroboken, markerade med blocktypsnitt, är avsedda...

Zinoviev G.S. Grunderna i kraftelektronik. Volym 2,3,4

• pdf-format
• storlek 2,21 MB
• tillagd 18 november 2009

Lärobok. – Novosibirsk: NSTU Publishing House, del två, tre och fyra. 2000. – 197 sid. Den andra delen av läroboken, en fortsättning på den första delen, publicerad 1999, ägnas åt presentationen av de grundläggande kretsarna för omvandlare av likspänning till likspänning, konstant spänning till växelspänning (autonoma växelriktare), växelspänning till växelspänning spänning med konstant eller justerbar frekvens. Materialet är också uppbyggt enligt principen "...

Zinoviev G.S. Grunderna i kraftelektronik. Volym 5

• pdf-format
• storlek 763,08 KB
• tillagd 18 maj 2009

Lärobok. – Novosibirsk: NSTU Publishing House, del fem. 2000. – 197 sid. Den andra delen av läroboken, en fortsättning på den första delen, publicerad 1999, ägnas åt presentationen av de grundläggande kretsarna för omvandlare av likspänning till likspänning, konstant spänning till växelspänning (autonoma växelriktare), växelspänning till växelspänning spänning med konstant eller justerbar frekvens. Materialet är också uppbyggt enligt fyra-i-ett-principen...

Zinoviev G.S. Grunderna i kraftelektronik. Del 2

• djvu-format
• storlek 3,62 MB
• tillagd 20 april 2011

Novosibirsk: NSTU, 2000. Den här läroboken är den andra delen av tre planerade för kursen "Fundamentals of Power Electronics". Den första delen av läroboken åtföljs av en metodologisk manual för laboratoriearbete, implementerad med hjälp av avdelningens programvarupaket för modellering av kraftelektronikenheter PARUS-PARAGRAPH. Materialet i den andra delen av läroboken stöds av datoriserade laborationskurser.

Granskare doktor i tekniska vetenskaper F. I. Kovalev

Principerna för elektrisk energiomvandling beskrivs: likriktning, invertering, frekvensomvandling, etc. De grundläggande kretsarna för omvandlarenheter, metoder för att styra dem och reglera huvudparametrarna beskrivs, områden för rationell användning av olika typer av omvandlare visas. Funktioner för design och drift beaktas.

För ingenjörer och tekniker som utvecklar och driver elektriska system som innehåller omvandlarenheter, samt de som är involverade i att testa och serva omvandlarutrustning.

Rozanov Yu. Grundläggande kraftelektronik. - Moskva, förlag Energoatomizdat, 1992. - 296 sid.

Förord
Introduktion

Kapitel först. Grundläggande element i kraftelektronik
1.1. Krafthalvledare
1.1.1. Strömdioder
1.1.2. Krafttransistorer
1.1.3. Tyristorer
1.1.4. Tillämpningar av krafthalvledarenheter
1.2. Transformatorer och reaktorer
1.3. Kondensatorer

Kapitel två. Likriktare
2.1. Allmän information
2.2. Grundläggande likriktarkretsar
2.2.1. Enfas helvågskrets med mittpunkt
2.2.2. Enfas bryggkrets
2.2.3. Trefaskrets med mittpunkt
2.2.4. Trefas bryggkrets
2.2.5. Flerbrokretsar
2.2.6. Harmonisk sammansättning av likriktad spänning och primärströmmar i likriktarkretsar
2.3. Omkoppling och driftlägen för likriktare
2.3.1. Omkopplingsströmmar i likriktarkretsar
2.3.2. Externa egenskaper hos likriktare
2.4. Energiegenskaper hos likriktare och sätt att förbättra dem
2.4.1. Effektfaktor och verkningsgrad för likriktare
2.4.2. Förbättring av effektfaktorn för kontrollerade likriktare
2.5. Funktioner för driften av likriktare för kapacitiv belastning och back-EMF
2.6. Anti-aliasing filter
2.7. Drift av en likriktare från en källa med jämförbar effekt

Kapitel tre. Växelriktare och frekvensomriktare
3.1. Grid-drivna växelriktare
3.1.1. Enfas mittpunktsväxelriktare
3.1.2. Trefas bryggväxelriktare
3.1.3. Effektbalans i en nätdriven växelriktare
3.1.4. Huvudegenskaper och driftsätt för nätdrivna växelriktare
3.2. Autonoma växelriktare
3.2.1. Aktuella växelriktare
3.2.2. Spänningsväxelriktare
3.2.3. Spänningsomriktare baserade på tyristorer
3.2.4. Resonansväxelriktare
3.3. Frekvensomvandlare
3.3.1. Frekvensomformare med mellanliggande DC-länk
3.3.2. Direktkopplade frekvensomvandlare
3.4. Reglering av utspänningen från autonoma växelriktare
3.4.1. Allmänna regleringsprinciper
3.4.2. Styranordningar för strömriktare
3.4.3. Utspänningsreglering via pulsbreddsmodulering (PWM)
3.4.4. Geometrisk addition av spänningar
3.5. Metoder för att förbättra utspänningsvågformen från växelriktare och frekvensomriktare
3.5.1. Inverkan av icke-sinusformad spänning på elkonsumenter
3.5.2. Inverterns utgångsfilter
3.5.3. Minskning av högre övertoner i utspänningen utan användning av filter

Kapitel fyra. Regulatorer-stabilisatorer och statiska kontaktorer
4.1. AC spänningsregulatorer
4.2. DC regulatorer-stabilisatorer
4.2.1. Parametriska stabilisatorer
4.2.2. Kontinuerliga stabilisatorer
4.2.3. Byta regulatorer
4.2.4. Utveckling av växlande regulatorstrukturer
4.2.5. Tyristor-kondensator DC-regulatorer med doserad energiöverföring till lasten
4.2.6. Kombinerade omvandlare-regulatorer
4.3. Statiska kontaktorer
4.3.1. Thyristor AC-kontaktorer
4.3.2. Thyristor DC-kontaktorer

Kapitel fem. Omvandlare styrsystem
5.1. Allmän information
5.2. Blockscheman över styrsystem för omvandlarenheter
5.2.1. Styrsystem för likriktare och beroende växelriktare
5.2.2. Styrsystem för direktkopplade frekvensomvandlare
5.2.3. Styrsystem för autonoma växelriktare
5.2.4. Styrsystem för regulatorer och stabilisatorer
5.3. Mikroprocessorsystem i omvandlarteknik
5.3.1. Typiska generaliserade mikroprocessorstrukturer
5.3.2. Exempel på användning av mikroprocessorstyrsystem

Kapitel sex. Tillämpningar av kraftelektronik
6.1. Områden för rationell tillämpning
6.2. Allmänna tekniska krav
6.3. Skydd i nödlägen
6.4. Driftövervakning och teknisk tillståndsdiagnostik
6.5. Säkerställ parallelldrift av omvandlare
6.6. Elektromagnetisk störning
Bibliografi

Bibliografi
1. GOST 20859.1-89 (ST SEV 1135-88). Halvledarkraftenheter i en enda enhetlig serie. Allmänna tekniska villkor.

2. Chebovsky O. G., Moiseev L. G., Nedoshivin R. P. Krafthalvledarenheter: Handbok. -2:a uppl., reviderad. och ytterligare M.: Energoatomizdat, 1985.

3 Iravis V. Diskreta effekthalvledare //EDN. 1984. Vol. 29, N 18. P. 106-127.

4. Nakagawa A.e.a. 1800V bipolärt läge MOSFET (IGBT) /A. Nakagawa, K. Imamure, K. Furukawa //Toshiba Review. 1987. N 161. S. 34-37.

5 Chen D. Halvledare: snabba, tuffa och kompakta // IEEE Spectrum. 1987. Vol. 24, N 9. P. 30-35.

6. Krafthalvledarmoduler utomlands / V. B. Zilbershtein, S. V. Mashin, V. A. Potapchuk, etc. // Elektrisk industri. Ser. 05. Effektomvandlingsteknik. 1988. Vol. 18. S. 1-44.

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

8. Rusin Yu S., Gorsky A. N., Rozanov Yu K. Studie av volymerna av elektromagnetiska element på frekvens // Elektrisk industri. Konverteringsteknik. 1983. Nr 10. S. 3-6.

9. Elektriska kondensatorer och kondensatorinstallationer: Handbok / V. P. Berzan, B. Yu Gelikman, M. N. Guraevsky och andra. G.S. Kuchinsky. M.: Energoatomizdat, 1987.

10. Halvledarlikriktare / Ed. F.I. Kovalev och G.P. M.: Energi, 1978.

11. Kretskonfiguration av GTO-omvandlaren för supraledande magnetisk energilagring / Toshifumi JSE, James J. Skiles, Kohert L., K. V. Stom, J. Wang//IEEE 19th Power Electronics Specialists Conference (PESC"88), Kyoto, Japan, 11 - 14 april 1988. S. 108-115.

12. Rozanov Yu K. Fundamentals of power converter technology. M.: Energi, 1979.

13. Chizhenko I. M., Rudenko V. S., Seyko V. I. Grunderna för omvandlarteknik. M.: Högre skola, 1974.

14. Ivanov V. A. Dynamik för autonoma växelriktare med direkt omkoppling. M.: Energi, 1979.

15. Kovalev F.I., Mustafa G.M., Baregemyan G.V. Styrning genom beräknad prognos av en pulsomvandlare med sinusformad utspänning // Elektrisk industri. Konverteringsteknik. 1981. nr 6(34).P. 10-14.

16. Middelbrook R. D. Isolering och multipla utgångsförlängningar av en ny optimal topologiomkoppling DC - tV - DC-omvandlare // IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC"78), 1978. S. 256-264.

17. Bulatov O. G., Tsarenko A. I. Tyristor-kondensatoromvandlare. M. Energoizdat, 1982.

18. Rozinov Yu K. Halvledaromvandlare med högfrekvent länk. M.: Energoatomizdat, 1987.

19. Kalabekov A. A. Mikroprocessorer och deras tillämpning i signalöverförings- och signalbehandlingssystem. M.: Radio och kommunikation, 1988.

20. Stroganov R.P. Styrmaskiner och deras tillämpning. M.: Högre skola, 1986.

21. Obukhov S.T., Ramizevich T.V. Tillämpning av mikrodatorer för styrning av ventilomvandlare // Elektrisk industri. Konverteringsteknik. 1983. Vol. 3(151). S. 9

22. Styrning av ventilomvandlare baserade på mikroprocessorer / Yu M. Bykov, I. T. Par, L. Ya Raskin, L. P. Detkin // Elektrisk industri. Konverteringsteknik. 1985. Vol. 10. S. 117.

23. Matsui N., Takeshk T., Vura M. One-Chip Micro - Computer - Based controller for MC Hurray Juneter // IEEE Transactions on industrial electronics, 1984. Vol. JE-31, N 3. P. 249-254.

24. Bulatov O. G., Ivanov V. S., Panfilov D. I. Halvledarladdare för kapacitiva energilagringsenheter. M.: Radio och kommunikation, 1986.

FÖRORD

Kraftelektronik är ett ständigt utvecklande och lovande område inom elektroteknik. Framstegen inom modern kraftelektronik har en stor inverkan på takten i den tekniska utvecklingen i alla avancerade industrisamhällen. I detta avseende finns det ett behov av ett brett spektrum av vetenskapliga och tekniska arbetare för att ha en tydligare förståelse för grunderna för modern kraftelektronik.

Kraftelektronik har för närvarande ganska väl utvecklade teoretiska grunder, men författaren satte sig inte till uppgift att ens delvis presentera dem, eftersom många monografier och läroböcker ägnas åt dessa frågor. Innehållet i denna bok och metodiken för dess presentation är i första hand avsedd för ingenjörer och tekniker som inte är specialister inom kraftelektronik, men är förknippade med användning och drift av elektroniska enheter och apparater och som vill få en förståelse av de grundläggande principerna för drift av elektroniska enheter, deras kretsar och allmänna bestämmelser för utveckling och drift. Dessutom kan de flesta avsnitt av boken också användas av studenter vid olika tekniska utbildningsinstitutioner när de studerar discipliner vars läroplan innehåller frågor om kraftelektronik.

Publiceringsdatum: 2017-12-10

Kan du grunderna i kraftelektronik?

Vi kan spåra de överväldigande framstegen i denna fråga till utvecklingen av kommersiella tyristorer eller kisellikriktare (SCR) av General Electric Co.

Kraftelektronik koncept

Kraftelektronikär ett av de moderna ämnena inom elektroteknik, som nyligen har nått stora framgångar och har påverkat människors liv på nästan alla områden. Vi själva använder så många kraftelektroniska applikationer i vårt dagliga liv utan att ens inse det. Nu uppstår frågan: "Vad är kraftelektronik?"

Vi kan definiera kraftelektronik som ett ämne som är en hybrid av kraft, analog elektronik, halvledarenheter och styrsystem. Vi baserar grunderna för varje entitet och tillämpar den i en kombinerad form för att producera en reglerad form av elektrisk energi. Elektrisk energi i sig är inte användbar förrän den omvandlas till en påtaglig form av energi som rörelse, ljus, ljud, värme etc. För att reglera dessa energiformer är ett effektivt sätt att reglera själva den elektriska energin, och dessa former är innehållet i subjektiv kraftelektronik.

Vi kan spåra de överväldigande framstegen i denna fråga till utvecklingen av kommersiella tyristorer eller kisellikriktare (SCR) av General Electric Co. år 1958. Tidigare utfördes kontroll av elektrisk energi huvudsakligen med hjälp av tyratroner och kvicksilverbågelikriktare, som arbetar enligt principen om fysikaliska fenomen i gaser och ångor. Efter SCR dök många högeffekts elektroniska enheter upp, som GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT, IGCT och så vidare. Dessa enheter är klassade till flera hundra volt och ampere, i motsats till signalnivåenheter som fungerar på några få volt och ampere.

För att uppnå syftet med kraftelektronik fungerar enheterna som inget annat än en strömbrytare. Alla kraftelektronikenheter fungerar som en strömbrytare och har två lägen, dvs PÅ och AV. Till exempel har BJT (Bipolar Junction Transistor) tre arbetsområden i utgångskarakteristiken inaktiverad, aktiv och mättad. I analog elektronik, där BJT måste fungera som en förstärkare, är kretsen utformad för att förspänna den till det aktiva området för drift. Men inom kraftelektronik kommer en BJT att fungera i cutoff-området när den är avstängd och i mättnadsregionen när den slås på. När nu enheter ska fungera som en omkopplare måste de följa den grundläggande egenskapen för en switch, det vill säga när omkopplaren är på har den noll spänningsfall över den och för full ström genom den, och när den är AV har fullt spänningsfall över den och noll ström flyter genom den.

Nu, eftersom värdet på V eller I är noll i båda lägena, är omkopplarens effekt också alltid noll. Denna egenskap är lätt att visualisera i en mekanisk strömbrytare och samma sak måste observeras i en kraftelektronisk strömbrytare. Det går dock nästan alltid läckström genom enheterna när den är i AV-läge, d.v.s. Iläckage ≠ 0 och det finns alltid ett spänningsfall i ON-tillståndet, d.v.s. Von ≠ 0. Storleken på Von eller läckage är dock mycket mindre och därför är effekten genom enheten också mycket liten, i storleksordningen några millivolt . Denna kraft försvinner i enheten och därför är korrekt värmeevakuering från enheten en viktig aspekt. Förutom dessa tillstånds- och AV-tillståndsförluster finns det även kopplingsförluster i kraftelektronikenheter. Detta händer främst när omkopplaren växlar från ett läge till ett annat och V och I genom enheten ändras. Inom kraftelektronik är båda förlusterna viktiga parametrar för alla enheter och är nödvändiga för att bestämma dess spännings- och strömvärden.

Enbart kraftelektroniska enheter är inte lika användbara i praktiska tillämpningar och kräver därför design med en krets tillsammans med andra stödjande komponenter. Dessa stödjande komponenter liknar den beslutsfattande delen som styr de elektroniska strömbrytarna för att uppnå önskat resultat. Detta inkluderar tändkretsen och återkopplingskretsen. Blockschemat nedan visar ett enkelt kraftelektroniksystem.

Styrenheten tar emot utsignalerna från sensorerna och jämför dem med referenserna och matar följaktligen in insignalen till avfyrningskretsen. Avfyrningskretsen är i grunden en pulsgenererande krets som producerar en pulsutgång på ett sådant sätt att den styr de elektroniska kraftomkopplarna i huvudkretsblocket. Slutresultatet är att lasten får den erforderliga elektriska kraften och därför levererar det önskade resultatet. Ett typiskt exempel på ovanstående system skulle vara styrning av motorernas hastighet.

Det finns huvudsakligen fem typer av kraftelektroniska kretsar, var och en med olika syfte:

1. Likriktare - Konverterar fast AC-ström till AC DC
2. Choppers - Omvandlar likström till växellik likström
3. Växelriktare - omvandlar likström till växelström med variabel amplitud och variabel frekvens
4. AC Voltage Controllers - Konvertera fast växelström till växelström vid samma ingångsfrekvens
5. Cykloomvandlare - omvandlar fast växelström till växelström med variabel frekvens

Det finns en vanlig missuppfattning om termen omvandlare. En omvandlare är i princip vilken krets som helst som omvandlar elektricitet från en form till en annan. Därför är alla de fem listade typerna av omvandlare.

I den här artikeln kommer vi att prata om kraftelektronik. Vad är kraftelektronik, vad är det baserat på, vilka fördelar ger det och vilka är dess utsikter? Låt oss uppehålla oss vid komponenterna i kraftelektronik, överväga kort vad de är, hur de skiljer sig från varandra och för vilka tillämpningar vissa typer av halvledaromkopplare är lämpliga. Låt oss ge exempel på kraftelektronik som används i vardagen, i produktionen och hemma.

Under de senaste åren har kraftelektronikenheter gjort det möjligt att göra ett seriöst tekniskt genombrott inom energibesparing. Krafthalvledarenheter, tack vare deras flexibla styrbarhet, gör det möjligt att effektivt omvandla elektrisk energi. Vikt- och storleksindikatorerna och effektiviteten som uppnås idag har redan fört omvandlarenheter till en kvalitativt ny nivå.

Många industrier använder mjukstartare, hastighetsregulatorer och avbrottsfri strömförsörjning som arbetar på en modern halvledarbas och visar hög effektivitet. Dessa är alla kraftelektronik.

Flödet av elektrisk energi i kraftelektronik styrs med hjälp av halvledaromkopplare, som ersätter mekaniska omkopplare, och som kan styras enligt den erforderliga algoritmen för att erhålla den erforderliga medeleffekten och exakta verkan av arbetselementet i en viss utrustning.

Således används kraftelektronik inom transporter, i gruvindustrin, inom kommunikationssektorn, i många industrier, och inte en enda kraftfull hushållsapparat klarar sig idag utan kraftelektronikenheter som ingår i dess design.

De viktigaste byggstenarna för kraftelektronik är halvledarnyckelkomponenterna, som kan öppna och stänga en krets med olika hastigheter, upp till megahertz. När den är påslagen är resistansen hos nyckeln enheter och bråkdelar av en ohm, och när den är avstängd är den megaohm.

Nyckelstyrning kräver inte mycket kraft, och förluster på switchen som uppstår under bytesprocessen, med en väldesignad drivrutin, överstiger inte en procent. Av denna anledning visar sig kraftelektronikens effektivitet vara hög jämfört med de fallande positionerna för järntransformatorer och mekaniska omkopplare som konventionella reläer.

Kraftelektroniska enheter är enheter där den effektiva strömmen är större än eller lika med 10 ampere. I det här fallet kan de viktigaste halvledarelementen vara: bipolära transistorer, fälteffekttransistorer, IGBT-transistorer, tyristorer, triacs, avstängda tyristorer och avstängda tyristorer med integrerad styrning.

Låg styreffekt gör det också möjligt att skapa effektmikrokretsar som kombinerar flera block samtidigt: själva switchen, styrkretsen och övervakningskretsen - det är de så kallade intelligenta kretsarna.

Dessa elektroniska tegelstenar används både i kraftfulla industriella installationer och i elektriska hushållsapparater. En induktionsugn för ett par megawatt eller en hemmaångare för ett par kilowatt – båda har halvledarströmbrytare som helt enkelt arbetar med olika effekt.

Effekttyristorer fungerar således i omvandlare med en effekt på mer än 1 MVA, i kretsar av elektriska DC-drivenheter och högspännings-växelströmsenheter, och används i installationer för reaktiv effektkompensation och i induktionssmältningsinstallationer.

Avstängda tyristorer styrs mer flexibelt de används för att styra kompressorer, fläktar, pumpar med en effekt på hundratals KVA, och den potentiella omkopplingseffekten överstiger 3 MVA. gör det möjligt att implementera omvandlare med en effekt på upp till enheter MVA för olika ändamål, både för att styra motorer och för att säkerställa avbrottsfri strömförsörjning och omkoppling av höga strömmar i många statiska installationer.

MOSFET-fälteffekttransistorer kännetecknas av utmärkt styrbarhet vid frekvenser på hundratals kilohertz, vilket avsevärt utökar omfattningen av deras tillämpbarhet i jämförelse med IGBT-transistorer.

Triacs är optimala för att starta och styra växelströmsmotorer de kan arbeta vid frekvenser upp till 50 kHz och kräver mindre energi att styra än IGBT-transistorer.

Idag når IGBT-transistorer en maximal switchspänning på 3500 volt och potentiellt 7000 volt. Dessa komponenter kan ersätta bipolära transistorer under de kommande åren, och de kommer att användas på utrustning upp till MVA-enheter. För lågeffektomvandlare kommer MOSFET-transistorer att förbli mer acceptabla, och för mer än 3 MVA kommer avstängda tyristorer att förbli mer acceptabla.

Enligt analytiker kommer de flesta krafthalvledare i framtiden att ha en modulär design, när ett paket innehåller från två till sex nyckelelement. Användningen av moduler gör det möjligt att minska vikt, dimensioner och kostnad för utrustningen där de kommer att användas.

För IGBT-transistorer kommer framstegen att vara en ökning av strömmarna till 2 kA vid spänningar upp till 3,5 kV och en ökning av driftfrekvenserna till 70 kHz med förenklade styrkretsar. En modul kan innehålla inte bara omkopplare och en likriktare, utan också en drivrutin och aktiva skyddskretsar.

Transistorer, dioder och tyristorer som producerats under de senaste åren har redan avsevärt förbättrat sina parametrar, såsom ström, spänning, hastighet och framsteg står inte stilla.

För bättre omvandling av växelström till likström används kontrollerade likriktare, som möjliggör smidig ändring av den likriktade spänningen i området från noll till nominell.

Idag används tyristorer främst i magnetiseringssystem för DC-drivenheter för synkronmotorer. Dubbla tyristorer - triacs, har endast en styrelektrod för två tyristorer kopplade rygg mot rygg, vilket gör styrningen ännu enklare.

För att utföra den omvända processen används omvandling av likspänning till växelspänning. Oberoende växelriktare baserade på halvledaromkopplare producerar en utfrekvens, form och amplitud som bestäms av den elektroniska kretsen och inte nätverket. Växelriktare är gjorda på basis av olika typer av nyckelelement, men för höga effekter, mer än 1 MVA, kommer växelriktare baserade på IGBT-transistorer igen ut i toppen.

Till skillnad från tyristorer gör IGBT-transistorer det möjligt att forma utströmmen och spänningen bredare och mer exakt. Bilväxelriktare med låg effekt använder fälteffekttransistorer i sitt arbete, som med effekter upp till 3 kW gör ett utmärkt jobb med att omvandla batteriets likström med en spänning på 12 volt, först till likström, med en hög -frekvenspulsomvandlare som arbetar vid en frekvens från 50 kHz till hundratals kilohertz, sedan - vid variabla 50 eller 60 Hz.

För att omvandla en ström av en frekvens till en ström av en annan frekvens används den. Tidigare gjordes detta uteslutande på basis av tyristorer, som inte var helt kontrollerbara, det var nödvändigt att designa komplexa kretsar för tvångslåsning av tyristorer.

Användningen av switchar som fälteffekt-MOSFET och IGBT-transistorer underlättar designen och implementeringen av frekvensomvandlare, och man kan förutsäga att tyristorer, särskilt i lågeffektsenheter, kommer att överges till förmån för transistorer i framtiden.

För att vända elektriska enheter används fortfarande tyristorer med två uppsättningar tyristoromvandlare för att ge två olika strömriktningar utan att behöva byta. Så fungerar moderna beröringsfria backstartare.

Vi hoppas att vår korta artikel var användbar för dig, och nu vet du vad kraftelektronik är, vilka delar av kraftelektronik som används i kraftelektronikenheter och hur stor potentialen för kraftelektronik är för vår framtid.