Какво е силова електроника

В тази статия ще говорим за силовата електроника. Какво представлява силовата електроника, на какво се основава, какви са предимствата и какви са нейните перспективи? Нека се спрем на компонентите на силовата електроника, разгледаме накратко какви са те, по какво се различават един от друг и за какви приложения са подходящи тези или онези видове полупроводникови превключватели. Ето примери за устройства за силова електроника, използвани в ежедневието, в производството и в ежедневието.

През последните години устройствата за силова електроника направиха голям технологичен пробив в енергоспестяването. Силови полупроводникови устройства, поради гъвкавата си управляемост, позволяват ефективно преобразуване на електричеството. Постигнатите днес показатели за тегло и размер и ефективност вече изведоха конвертиращите устройства на качествено ново ниво.

Много индустрии използват плавни стартери, регулатори на скоростта, източници на непрекъсваемо захранване, работещи на модерна полупроводникова основа и показващи висока ефективност. Всичко това е силова електроника.

Контролирането на потока електрическа енергия в силовата електроника се осъществява с помощта на полупроводникови ключове, които заменят механичните превключватели и които могат да се управляват съгласно необходимия алгоритъм, за да се получи необходимата средна мощност и прецизно действие на работното тяло на това или онова оборудване.

Така че силовата електроника се използва в транспорта, в минната промишленост, в областта на комуникациите, в много индустрии и днес нито един мощен домакински уред не може без силови електронни блокове, включени в неговия дизайн.

Основните градивни елементи на силовата електроника са именно полупроводниковите ключови компоненти, които могат да отварят и затварят верига с различни скорости, до мегахерца. В включено състояние съпротивлението на ключа е единици и части от ом, а в изключено състояние — мегаоми.

Управлението на ключове не изисква много енергия и загубите върху ключа, възникнали по време на процеса на превключване, с добре проектиран драйвер, не надвишават един процент. Поради тази причина ефективността на силовата електроника е висока в сравнение с губещите позиции на железни трансформатори и механични превключватели като конвенционалните релета.

Силовите електронни устройства са устройства, при които ефективният ток е по -голям или равен на 10 ампера. В този случай ключовите полупроводникови елементи могат да бъдат: биполярни транзистори, полеви транзистори, IGBT транзистори, тиристори, триаци, заключващи се тиристори и заключващи се тиристори с интегрирано управление.

Ниската мощност на управление също ви позволява да създавате захранващи микросхеми, в които се комбинират няколко блока наведнъж: самият ключ, управляващата верига и управляващата верига, това са така наречените интелигентни вериги.

Тези електронни градивни елементи се използват както в промишлени инсталации с висока мощност, така и в домакински електрически уреди. Индукционна фурна за няколко мегавата или домашна пара за няколко киловата — и двете имат полупроводникови превключватели на захранването, които просто работят с различни мощности.

Така силовите тиристори работят в преобразуватели с капацитет над 1 MVA, във вериги на електрически задвижвания с постоянен ток и променливотокови задвижвания с високо напрежение, се използват в инсталации за компенсиране на реактивна мощност, в инсталации за индукционно топене.

Заключващите се тиристори се управляват по -гъвкаво, те се използват за управление на компресори, вентилатори, помпи с капацитет от стотици kVA, а потенциалната комутационна мощност надвишава 3 MVA. IGBT транзистори позволяват внедряването на преобразуватели с капацитет до MVA блокове за различни цели, както за управление на двигатели, така и за осигуряване на непрекъснато захранване и превключване на високи токове в много статични инсталации.

MOSFET имат отлична управляемост при честоти от стотици килохерца, което значително разширява техния обхват на приложимост в сравнение с IGBT.

Симисторите са оптимални за стартиране и управление на променливотокови двигатели, те могат да работят на честоти до 50 kHz, а за управление изискват по -малко енергия от IGBT транзисторите.

Днес IGBT имат максимално превключващо напрежение от 3500 волта и потенциално 7000 волта. Тези компоненти могат да заменят биполярни транзистори през следващите години и ще бъдат използвани на оборудване до блокове MVA. За преобразуватели с ниска мощност MOSFET ще останат по -приемливи, а за повече от 3 MVA — заключващи се тиристори.

Според прогнозите на анализаторите, повечето от полупроводниците в бъдеще ще имат модулен дизайн, когато два до шест ключови елемента са разположени в един пакет. Използването на модули ви позволява да намалите теглото, да намалите размера и цената на оборудването, в което ще бъдат използвани.

За IGBT транзисторите напредъкът ще бъде увеличаване на токовете до 2 kA при напрежение до 3,5 kV и увеличаване на работните честоти до 70 kHz с опростени схеми за управление. Един модул може да съдържа не само ключове и токоизправител, но и драйвер и вериги за активна защита.

Произведените през последните години транзистори, диоди, тиристори вече значително са подобрили параметрите си, като ток, напрежение, скорост и напредъкът не стои неподвижен.

За по -добро преобразуване на променлив ток в постоянен ток се използват контролирани токоизправители, които позволяват плавно промяна на коригираното напрежение в диапазона от нула до номинал.

Днес в системите за възбуждане на електрически задвижвания с постоянен ток тиристорите се използват главно в синхронни двигатели. Двойните тиристори — триаци, имат само един портален електрод за два свързани антипаралелни тиристора, което прави управлението още по -лесно.

За да се извърши обратният процес, се използва преобразуването на директно напрежение в променливо напрежение инвертори… Независимите инвертори на полупроводникови превключватели дават изходна честота, форма и амплитуда, определени от електронната схема, а не от мрежата. Инверторите са направени на базата на различни видове ключови елементи, но за големи мощности, повече от 1 MVA, отново, инверторите на IGBT транзистори излизат на върха.

За разлика от тиристорите, IGBT осигуряват възможност за по -широко и по -точно оформяне на тока и напрежението на изхода. Автомобилните инвертори с ниска мощност използват в работата си транзистори с полеви ефекти, които при мощности до 3 kW вършат отлична работа по преобразуване на постоянен ток на батерия с напрежение 12 волта, първо в постоянен ток, чрез високочестотен импулсен преобразувател, работещ на честота от 50 kHz до стотици килохерца, след това — в редуващи се 50 или 60 Hz.

За да преобразувате ток от една честота в ток от друга честота, използвайте полупроводникови честотни преобразуватели… Преди това това се правеше единствено на базата на тиристори, които нямаха пълна управляемост; беше необходимо да се разработят сложни схеми за принудително заключване на тиристорите.

Използването на ключове като полеви MOSFET и IGBT транзистори улеснява проектирането и внедряването на честотни преобразуватели и може да се предвиди, че в бъдеще тиристорите, особено в устройства с ниска мощност, ще бъдат изоставени в полза на транзисторите.

За обръщане на електрически задвижвания все още се използват тиристори; достатъчно е да имате два комплекта тиристорни преобразуватели, за да осигурите две различни посоки на тока, без да е необходимо превключване. Така работят съвременните безконтактни реверсивни стартери.

Надяваме се, че нашата кратка статия е била полезна за вас и сега знаете какво представлява силовата електроника, какви елементи на силовата електроника се използват в силовите електронни устройства и колко голям е потенциалът на силовата електроника за нашето бъдеще.