Základy výkonové elektroniky. Rozanov Yu. K. Základy výkonové elektroniky Základy výkonové elektroniky

Výkonová elektronika je oblast vědy a techniky, která řeší problém vytváření výkonových elektronických zařízení, stejně jako problém získávání významné elektrické energie, řízení výkonných elektrických procesů a přeměny elektrické energie na dostatečně velkou energii jiného typu při použití těchto zařízení jako hlavní nástroj.

Zařízení výkonové elektroniky na bázi polovodičů jsou diskutována níže. Tato zařízení jsou nejpoužívanější.

Výše diskutované solární články se již dlouhou dobu používají k výrobě elektrické energie. V současné době je podíl této energie na celkovém objemu elektřiny malý. Nicméně mnoho vědců, včetně nositele Nobelovy ceny akademika Zh.I. Alferove, považují solární články za velmi perspektivní zdroje elektrické energie, které nenarušují energetickou rovnováhu na Zemi.

Řízení vysokovýkonových elektrických procesů je právě tím problémem, ve kterém jsou výkonová polovodičová zařízení již široce používána a intenzita jejich používání rychle roste. To je vysvětleno výhodami výkonových polovodičových součástek, z nichž hlavní jsou vysoká rychlost, nízký pokles v otevřeném stavu a nízký pokles v uzavřeném stavu (což zajišťuje nízké ztráty výkonu), vysoká spolehlivost, významná proudová a napěťová zatížitelnost, malé rozměry a hmotnost, snadné ovládání, organická jednota s polovodičovými součástkami informační elektroniky, která usnadňuje kombinaci silnoproudých a slaboproudých prvků.

V mnoha zemích byly zahájeny intenzivní výzkumné práce na výkonové elektronice a díky tomu se výkonová polovodičová zařízení, ale i elektronická zařízení na nich založená, neustále zdokonalují. To zajišťuje rychlé rozšíření aplikací výkonové elektroniky, což zase stimuluje výzkum. Zde můžeme mluvit o pozitivní zpětné vazbě v rozsahu celé oblasti lidské činnosti. Výsledkem je rychlé pronikání výkonové elektroniky do nejrůznějších technických oborů.

Zvláště rychlé šíření zařízení výkonové elektroniky začalo po vytvoření tranzistorů s efektem výkonového pole a IGBT.

Tomu předcházelo poměrně dlouhé období, kdy hlavním výkonovým polovodičovým prvkem byl unlatched tyristor, vytvořený v 50. letech minulého století. Bezpřídržné tyristory hrály významnou roli ve vývoji výkonové elektroniky a jsou dnes široce používány. Ale nemožnost vypnutí pomocí řídicích impulsů často znesnadňuje jejich použití. Po celá desetiletí se vývojáři výkonových zařízení museli s touto nevýhodou vyrovnat a v některých případech používat k vypínání tyristorů poměrně složité součástky silových obvodů.

Široké používání tyristorů vedlo k popularitě termínu „tyristorová technologie“, který v té době vznikl a který se používal ve stejném smyslu jako výraz „výkonová elektronika“.

Výkonové bipolární tranzistory vyvinuté v tomto období našly své pole uplatnění, ale nijak radikálně nezměnily situaci ve výkonové elektronice.

Teprve s příchodem výkonových tranzistorů s efektem pole a 10 wattů byly plně ovladatelné elektronické spínače v rukou inženýrů, které se svými vlastnostmi blížily těm ideálním. To značně usnadnilo řešení nejrůznějších problémů souvisejících s řízením výkonných elektrických procesů. Přítomnost poměrně pokročilých elektronických spínačů umožňuje nejen okamžité připojení zátěže ke stálému nebo střídavému zdroji a její odpojení, ale také generování velmi velkých proudových signálů nebo téměř jakéhokoli požadovaného tvaru.

Nejběžnější typická zařízení výkonové elektroniky jsou:

bezkontaktní spínací zařízení střídavý a stejnosměrný proud (přerušovače), určené k zapnutí nebo vypnutí zátěže v obvodu střídavého nebo stejnosměrného proudu a někdy k regulaci výkonu zátěže;

usměrňovače, transformace proměnné v jedné polaritě (jednosměrná);

střídače, převod konstanty na proměnnou;

frekvenční měniče, převod proměnné jedné frekvence na proměnnou jiné frekvence;

DC měniče(převodníky), které převádějí konstantu jedné veličiny na konstantu jiné veličiny;

převodníky fázových čísel, přeměna střídavé proměnné s jedním počtem fází na střídavou s různým počtem fází (obvykle se jednofázové převádí na třífázové nebo třífázové na jednofázové);

kompenzátory(korektory účiníku), určené ke kompenzaci jalového výkonu v napájecí síti AC a ke kompenzaci zkreslení průběhu proudu a napětí.

Zařízení výkonové elektroniky v podstatě provádějí konverzi elektrických signálů s vysokým výkonem. Proto se výkonová elektronika také nazývá měničová technologie.

Zařízení výkonové elektroniky, standardní i specializované, se používají ve všech oblastech techniky a téměř v jakémkoli poměrně složitém vědeckém zařízení.

Pro ilustraci uvádíme některé objekty, ve kterých zařízení výkonové elektroniky vykonávat důležité funkce:

Elektrický pohon (řízení rychlosti a točivého momentu atd.);

Zařízení pro elektrolýzu (hutnictví neželezných kovů, chemický průmysl);

Elektrická zařízení pro přenos elektřiny na velké vzdálenosti pomocí stejnosměrného proudu;

Elektrometalurgická zařízení (elektromagnetické míchání kovů atd.);

Elektrotermická zařízení (indukční ohřev atd.);

Elektrická zařízení pro nabíjení baterií;

Počítače;

Elektrická zařízení automobilů a traktorů;

Elektrické vybavení letadel a kosmických lodí;

Radiokomunikační zařízení;

Zařízení pro televizní vysílání;

Zařízení pro elektrické osvětlení (napájení pro zářivky atd.);

Lékařská elektrická zařízení (ultrazvuková terapie a chirurgie atd.);

Elektrické nářadí;

Zařízení spotřební elektroniky.

Rozvoj výkonové elektroniky mění i samotné přístupy k řešení technických problémů. Například vytvoření výkonových tranzistorů s efektem pole a IGBT významně přispívá k rozšíření oblasti použití indukčních motorů, které v řadě oblastí nahrazují komutátorové motory.

Významným faktorem, který má příznivý vliv na rozšíření zařízení výkonové elektroniky, je úspěšnost informační elektroniky a zejména mikroprocesorové techniky. K řízení výkonných elektrických procesů se používají stále složitější algoritmy, které lze racionálně implementovat pouze pomocí dostatečně pokročilých zařízení informační elektroniky.

Efektivní společné využití pokroků ve výkonové a datové elektronice přináší skutečně vynikající výsledky.

Stávající zařízení pro přeměnu elektrické energie na jiný typ energie při přímém použití polovodičových součástek zatím nemají vysoký výstupní výkon. I zde však byly získány povzbudivé výsledky.

Polovodičové lasery přeměňují elektrickou energii na energii koherentního záření v ultrafialové, viditelné a infračervené oblasti. Tyto lasery byly navrženy v roce 1959 a poprvé implementovány s použitím arsenidu galia (GaAs) v roce 1962. Lasery na bázi polovodičů se vyznačují vysokou účinností (nad 10 %) a dlouhou životností. Používají se například v infračervených reflektorech.

Ultrasvítivé bílé LED diody, které se objevily v 90. letech minulého století, se již v některých případech používají pro osvětlení místo žárovek. LED jsou výrazně ekonomičtější a mají výrazně delší životnost. Očekává se, že rozsah LED osvětlení se bude rychle rozšiřovat.

V tomto článku budeme hovořit o výkonové elektronice. Co je výkonová elektronika, na čem je založena, jaké výhody poskytuje a jaké jsou její perspektivy? Zastavme se u součástek výkonové elektroniky, krátce se zamysleme, co to je, čím se od sebe liší a pro jaké aplikace jsou vhodné některé typy polovodičových spínačů. Uveďme příklady výkonových elektronických zařízení používaných v každodenním životě, ve výrobě i v domácnosti.

Zařízení výkonové elektroniky umožnila v posledních letech učinit vážný technologický průlom v úsporách energie. Výkonová polovodičová zařízení díky své flexibilní ovladatelnosti umožňují efektivní přeměnu elektrické energie. Hmotnostní a rozměrové ukazatele a dnes dosažená účinnost již přivedly převodníky na kvalitativně novou úroveň.

Mnoho průmyslových odvětví používá softstartéry, regulátory rychlosti a nepřerušitelné napájecí zdroje, které fungují na moderní polovodičové bázi a vykazují vysokou účinnost. To vše je výkonová elektronika.

Tok elektrické energie ve výkonové elektronice je řízen pomocí polovodičových spínačů, které nahrazují mechanické spínače, a které lze řídit podle požadovaného algoritmu pro získání požadovaného průměrného výkonu a přesné činnosti pracovního prvku konkrétního zařízení.

Výkonová elektronika se tedy používá v dopravě, v těžebním průmyslu, v komunikačním sektoru, v mnoha průmyslových odvětvích a nejeden výkonný domácí spotřebič se dnes neobejde bez výkonových elektronických jednotek zahrnutých v jeho konstrukci.

Hlavními stavebními kameny výkonové elektroniky jsou klíčové polovodičové součástky, které jsou schopny otevírat a zavírat obvod různými rychlostmi až do megahertzů. Při zapnutí je odpor klíče jednotky a zlomky ohmů a ve vypnutém stavu jsou to megaohmy.

Klíčové ovládání nevyžaduje velký výkon a ztráty na spínači, ke kterým dochází během procesu spínání, při dobře navrženém ovladači nepřesahují jedno procento. Z tohoto důvodu se účinnost výkonové elektroniky ukazuje jako vysoká ve srovnání s klesajícími polohami železných transformátorů a mechanických spínačů, jako jsou konvenční relé.

Výkonová elektronická zařízení jsou zařízení, ve kterých je efektivní proud větší nebo roven 10 ampérům. V tomto případě mohou být klíčovými polovodičovými prvky: bipolární tranzistory, tranzistory s efektem pole, tranzistory IGBT, tyristory, triaky, vypínací tyristory a vypínací tyristory s integrovaným řízením.

Nízký řídicí výkon také umožňuje vytvářet výkonové mikroobvody, které kombinují více bloků najednou: samotný spínač, řídicí obvod a monitorovací obvod – jedná se o tzv. inteligentní obvody.

Tyto elektronické cihly se používají jak ve výkonných průmyslových instalacích, tak v domácích elektrických spotřebičích. Indukční pec za pár megawattů nebo domácí parní hrnec za pár kilowattů – oba mají polovodičové výkonové spínače, které jednoduše fungují s různými výkony.

Výkonové tyristory tedy pracují v měničích s výkonem vyšším než 1 MVA, v obvodech stejnosměrných elektrických pohonů a vysokonapěťových střídavých pohonů a používají se v zařízeních pro kompenzaci jalového výkonu a v zařízeních pro indukční tavení.

Vypínací tyristory jsou řízeny flexibilněji, slouží k ovládání kompresorů, ventilátorů, čerpadel s výkonem stovek KVA a potenciální spínací výkon přesahuje 3 MVA. umožňují realizovat měniče o výkonu až jednotek MVA pro různé účely, jak pro řízení motorů, tak pro zajištění nepřerušitelného napájení a spínání vysokých proudů v mnoha statických instalacích.

Tranzistory MOSFET s efektem pole se vyznačují výbornou řiditelností na frekvencích stovek kilohertzů, což výrazně rozšiřuje rozsah jejich použitelnosti ve srovnání s tranzistory IGBT.

Triaky jsou optimální pro spouštění a řízení střídavých motorů, jsou schopny pracovat při frekvencích až 50 kHz a vyžadují méně energie k řízení než tranzistory IGBT.

Dnes IGBT tranzistory dosahují maximálního spínacího napětí 3500 voltů a potenciálně 7000 voltů. Tyto součástky mohou v příštích letech nahradit bipolární tranzistory a budou použity na zařízeních až po jednotky MVA. Pro nízkopříkonové měniče zůstanou přijatelnější MOSFET tranzistory a pro více než 3 MVA zůstanou přijatelnější vypínací tyristory.

Podle analytiků bude mít většina výkonových polovodičů v budoucnu modulární design, kdy jeden balíček obsahuje dva až šest klíčových prvků. Použití modulů umožňuje snížit hmotnost, rozměry a náklady na zařízení, ve kterém budou použity.

U IGBT tranzistorů bude pokrokem zvýšení proudů na 2 kA při napětích do 3,5 kV a zvýšení pracovních frekvencí na 70 kHz se zjednodušenými řídicími obvody. Jeden modul může obsahovat nejen spínače a usměrňovač, ale také budič a obvody aktivní ochrany.

Tranzistory, diody a tyristory vyráběné v posledních letech již výrazně zlepšily své parametry, jako je proud, napětí, rychlost a pokrok nestojí.

Pro lepší přeměnu střídavého proudu na stejnosměrný se používají řízené usměrňovače, které umožňují plynule měnit usměrněné napětí v rozsahu od nuly po jmenovité.

Tyristory se dnes používají především v budicích systémech stejnosměrných elektrických pohonů pro synchronní motory. Duální tyristory - triaky, mají pouze jednu řídicí elektrodu pro dva tyristory zapojené zády k sobě, což ještě více zjednodušuje ovládání.

K provedení obráceného procesu se používá přeměna stejnosměrného napětí na střídavé napětí. Nezávislé invertory založené na polovodičových spínačích produkují výstupní frekvenci, tvar a amplitudu určenou elektronickým obvodem a nikoli sítí. Měniče jsou vyráběny na bázi různých typů klíčových prvků, ale pro vysoké výkony, více než 1 MVA, opět vycházejí navrch měniče na bázi IGBT tranzistorů.

Na rozdíl od tyristorů umožňují IGBT tranzistory šířeji a přesněji tvarovat výstupní proud a napětí. Automobilové invertory s nízkým výkonem využívají při své práci tranzistory s efektem pole, které s výkonem až 3 kW výborně převádějí stejnosměrný proud baterie o napětí 12 voltů nejprve na stejnosměrný proud pomocí vysokého -frekvenční pulzní měnič pracující na frekvenci od 50 kHz do stovek kilohertzů, poté - na proměnných 50 nebo 60 Hz.

Používá se k převodu proudu jedné frekvence na proud jiné frekvence. Dříve se to dělalo výhradně na bázi tyristorů, které nebyly plně řiditelné, bylo nutné navrhnout složité obvody pro nucené blokování tyristorů.

Použití přepínačů, jako jsou MOSFET s efektem pole a tranzistory IGBT, usnadňuje návrh a implementaci frekvenčních měničů a lze předpokládat, že v budoucnu bude od tyristorů, zejména v zařízeních s nízkým výkonem, upuštěno ve prospěch tranzistorů.

Pro reverzní elektrické pohony se stále používají tyristory, stačí mít dvě sady tyristorových měničů pro zajištění dvou různých směrů proudu bez nutnosti přepínání. Tak fungují moderní bezdotykové reverzní startéry.

Doufáme, že vám byl náš krátký článek užitečný a nyní víte, co je výkonová elektronika, jaké prvky výkonové elektroniky se používají ve výkonových elektronických zařízeních a jak velký potenciál výkonová elektronika má pro naši budoucnost.

• Předmluva
• Zavedení
• Kapitola první. Základní prvky výkonové elektroniky
  • 1.1. Výkonové polovodiče
    • 1.1.1. Výkonové diody
    • 1.1.2. Výkonové tranzistory
    • 1.1.3. Tyristory
    • 1.1.4. Aplikace výkonových polovodičových součástek
  • 1.2. Transformátory a reaktory
  • 1.3. Kondenzátory
• Kapitola druhá. Usměrňovače
  • 2.1. Obecné informace
  • 2.2. Základní usměrňovací obvody
    • 2.2.1. Jednofázový celovlnný obvod se středem
    • 2.2.2. Jednofázový můstkový obvod
    • 2.2.3. Třífázový obvod se středem
    • 2.2.4. Třífázový můstkový obvod
    • 2.2.5. Vícemůstkové okruhy
    • 2.2.6. Harmonické složení usměrněného napětí a primárních proudů v usměrňovacích obvodech
  • 2.3. Spínací a pracovní režimy usměrňovačů
    • 2.3.1. Spínací proudy v usměrňovacích obvodech
    • 2.3.2. Vnější charakteristiky usměrňovačů
  • 2.4. Energetické charakteristiky usměrňovačů a způsoby jejich zlepšení
    • 2.4.1. Účiník a účinnost usměrňovačů
    • 2.4.2. Zlepšení účiníku řízených usměrňovačů
  • 2.5. Vlastnosti provozu usměrňovačů pro kapacitní zátěž a zpětné EMF
  • 2.6. Anti-aliasingové filtry
  • 2.7. Provoz usměrňovače ze zdroje srovnatelného výkonu
• Kapitola třetí. Střídače a frekvenční měniče
  • 3.1. Invertory řízené sítí
    • 3.1.1. Jednofázový středový střídač
    • 3.1.2. Třífázový můstkový střídač
    • 3.1.3. Rovnováha výkonu ve střídači poháněném sítí
    • 3.1.4. Hlavní charakteristiky a provozní režimy střídačů řízených sítí
  • 3.2. Autonomní střídače
    • 3.2.1. Současné měniče
    • 3.2.2. Střídače napětí
    • 3.2.3. Napěťové měniče na bázi tyristorů
    • 3.2.4. Rezonanční měniče
  • 3.3. Frekvenční měniče
    • 3.3.1. Frekvenční měniče s meziobvodem
    • 3.3.2. Přímo vázané frekvenční měniče
  • 3.4. Regulace výstupního napětí autonomních měničů
    • 3.4.1. Obecné principy regulace
    • 3.4.2. Řídicí zařízení pro proudové měniče
    • 3.4.3. Regulace výstupního napětí pomocí radiofrekvenční modulace (PWM)
    • 3.4.4. Geometrické sčítání napětí
  • 3.5. Metody zlepšení průběhu výstupního napětí střídačů a frekvenčních měničů
    • 3.5.1. Vliv nesinusového napětí na spotřebiče elektřiny
    • 3.5.2. Invertorové výstupní filtry
    • 3.5.3. Redukce vyšších harmonických ve výstupním napětí bez použití filtrů
• Kapitola čtvrtá. Regulátory-stabilizátory a statické stykače
  • 4.1. regulátory střídavého napětí
  • 4.2. DC regulátory-stabilizátory
    • 4.2.1. Parametrické stabilizátory
    • 4.2.2. Kontinuální stabilizátory
    • 4.2.3. Spínací regulátory
    • 4.2.4. Vývoj struktur spínacích regulátorů
    • 4.2.5. Tyristoro-kondenzátorové stejnosměrné regulátory s dávkovaným přenosem energie do zátěže
    • 4.2.6. Kombinovaný měnič-regulátory
  • 4.3. Statické stykače
    • 4.3.1. Tyristorové AC stykače
    • 4.3.2. Tyristorové stejnosměrné stykače
• Kapitola pátá. Řídicí systémy převodníků
  • 5.1. Obecné informace
  • 5.2. Bloková schémata řídicích systémů pro měničová zařízení
    • 5.2.1. Řídicí systémy pro usměrňovače a závislé střídače
    • 5.2.2. Řídicí systémy přímo vázaných frekvenčních měničů
    • 5.2.3. Řídicí systémy pro autonomní měniče
    • 5.2.4. Řídicí systémy pro regulátory-stabilizátory
  • 5.3. Mikroprocesorové systémy v převodníkové technice
    • 5.3.1. Typické zobecněné struktury mikroprocesorů
    • 5.3.2. Příklady použití mikroprocesorových řídicích systémů
• Kapitola šestá. Aplikace výkonových elektronických zařízení
  • 6.1. Oblasti racionálního použití
  • 6.2. Všeobecné technické požadavky
  • 6.3. Ochrana v nouzových režimech
  • 6.4. Provozní monitoring a diagnostika technického stavu
  • 6.5. Zajištění paralelního provozu převodníků
  • 6.6. Elektromagnetické rušení
• Reference

ZAVEDENÍ

V elektrotechnice se rozlišuje výkonová elektronika a informační elektronika. Výkonová elektronika původně vznikla jako oblast technologie primárně spojená s přeměnou různých druhů elektrické energie pomocí elektronických zařízení. Následný pokrok v oblasti polovodičových technologií umožnil výrazně rozšířit funkcionalitu výkonových elektronických zařízení a tím i rozsah jejich použití.

Moderní zařízení výkonové elektroniky umožňují řídit tok elektřiny nejen za účelem její přeměny z jednoho typu na druhý, ale také pro distribuci, organizování vysokorychlostní ochrany elektrických obvodů, kompenzaci jalového výkonu atd. Tyto funkce, úzce souvisí s tradičními úkoly elektroenergetiky, určily další Název výkonové elektroniky je energetická elektronika. Informační elektronika slouží především k řízení informačních procesů. Zejména zařízení informační elektroniky jsou základem řídicích a regulačních systémů pro různé objekty, včetně zařízení výkonové elektroniky.

I přes intenzivní rozšiřování funkcí výkonových elektronických zařízení a oblastí jejich použití jsou však spojeny hlavní vědeckotechnické problémy a úkoly řešené v oblasti výkonové elektroniky. transformace elektrické energie.

Elektřina se používá v různých formách: ve formě střídavého proudu o frekvenci 50 Hz, ve formě stejnosměrného proudu (přes 20% veškeré vyrobené elektřiny), stejně jako střídavého proudu o vysoké frekvenci nebo proudů zvláštní formy (například pulzní atd.). Tento rozdíl je způsoben především rozmanitostí a specifičností spotřebitelů a v některých případech (například v systémech autonomního napájení) a primárních zdrojů elektřiny.

Různorodost typů spotřebovávané a vyráběné elektřiny vyžaduje její přeměnu. Hlavní typy přeměny elektřiny jsou:

• 1) usměrnění (přeměna střídavého proudu na stejnosměrný);
• 2) inverze (přeměna stejnosměrného proudu na střídavý);
• 3) frekvenční konverze (přeměna střídavého proudu jedné frekvence na střídavý proud jiné frekvence).

Existuje i řada dalších, méně obvyklých typů převodu: průběh proudu, počet fází atd. V některých případech se používá kombinace více typů převodu. Kromě toho lze elektřinu převádět pro zlepšení kvality jejích parametrů, například pro stabilizaci napětí nebo frekvence střídavého proudu.

Přeměnu elektřiny lze provádět různými způsoby. Tradiční pro elektrotechniku ​​je zejména transformace prostřednictvím elektrických strojních jednotek sestávajících z motoru a generátoru spojených společným hřídelem. Tento způsob přeměny má však řadu nevýhod: přítomnost pohyblivých částí, setrvačnost atd. Proto byla paralelně s rozvojem přeměny elektrických strojů v elektrotechnice věnována velká pozornost vývoji metod statické přeměny el. . Většina těchto vývojů byla založena na použití nelineárních prvků elektronické technologie. Hlavními prvky výkonové elektroniky, které se staly základem pro vytvoření statických měničů, byly polovodičová zařízení. Vodivost většiny polovodičových součástek výrazně závisí na směru elektrického proudu: v propustném směru je jejich vodivost vysoká, ve zpětném směru malá (to znamená, že polovodičová součástka má dva jasně definované stavy: otevřený a uzavřený). Polovodičová zařízení mohou být neřízená nebo řízená. U posledně jmenovaných je možné řídit okamžik nástupu jejich vysoké vodivosti (sepnutí) pomocí řídicích impulsů nízkého výkonu. První domácí práce věnované studiu polovodičových součástek a jejich využití pro přeměnu elektřiny byly práce akademiků V. F. Mitkeviche, N. D. Papeleksiho a dalších.

Ve 30. letech 20. století byla v SSSR i v zahraničí běžná zařízení na vypouštění plynu (rtuťové ventily, tyratrony, gastrony atd.). Současně s vývojem plynových výbojových zařízení byla rozvíjena teorie přeměny elektřiny. Byly vyvinuty základní typy obvodů a byl proveden rozsáhlý výzkum elektromagnetických procesů, ke kterým dochází při usměrňování a inverzi střídavého proudu. Zároveň se objevily první práce o analýze obvodů autonomních měničů. Ve vývoji teorie iontových konvertorů sehrály velkou roli práce sovětských vědců I. L. Kaganova, M. A. Černyševa, D. A. Zavališina, ale i zahraničních: K. Müller-Lübeck, M. Demontvigne, V. Schiling a ostatní.

Nová etapa ve vývoji technologie převodníků začala koncem 50. let, kdy se objevila výkonná polovodičová zařízení - diody a tyristory. Tato zařízení vyvinutá na bázi křemíku jsou svými technickými vlastnostmi mnohem lepší než zařízení s výboji plynu. Mají malé rozměry a hmotnost, mají vysokou hodnotu účinnosti, mají vysokou rychlost a zvýšenou spolehlivost při provozu v širokém teplotním rozsahu.

Použití výkonových polovodičových součástek výrazně ovlivnilo vývoj výkonové elektroniky. Staly se základem pro vývoj vysoce účinných měničových zařízení všech typů. V tomto vývoji bylo přijato mnoho zásadně nových obvodů a konstrukčních řešení. Průmyslový vývoj výkonových polovodičových součástek zintenzivnil výzkum v této oblasti a vytváření nových technologií. S přihlédnutím ke specifikům výkonových polovodičových součástek byly zpřesněny staré metody obvodové analýzy a vyvinuty nové metody. Výrazně se rozšířily třídy obvodů pro autonomní měniče, frekvenční měniče, stejnosměrné regulátory a mnoho dalších a objevily se nové typy zařízení výkonové elektroniky - statické stykače s přirozeným a umělým spínáním, tyristorové kompenzátory jalového výkonu, vysokorychlostní ochranné zařízení s napětím omezovače atd.

Elektrické pohony se staly jednou z hlavních oblastí efektivního využití výkonové elektroniky. Tyristorové jednotky a kompletní zařízení byly vyvinuty pro stejnosměrné elektrické pohony a úspěšně se používají v metalurgii, výrobě obráběcích strojů, dopravě a dalších průmyslových odvětvích. Vývoj tyristorů vedl k výraznému pokroku v oblasti nastavitelných střídavých elektrických pohonů.

Byla vytvořena vysoce účinná zařízení, která převádějí průmyslový frekvenční proud na střídavý proud s proměnnou frekvencí pro řízení rychlosti elektromotorů. Pro různé oblasti techniky bylo vyvinuto mnoho typů frekvenčních měničů se stabilizovanými výstupními parametry. Pro indukční ohřev kovu byly vytvořeny zejména vysokofrekvenční výkonné tyristorové jednotky, které poskytují velký technický a ekonomický efekt zvýšením životnosti oproti elektrickým strojním jednotkám.

Na základě zavedení polovodičových měničů byla provedena rekonstrukce elektrických rozvoden pro mobilní elektrodopravu. Kvalita některých technologických procesů v elektrometalurgickém a chemickém průmyslu se výrazně zlepšila zavedením usměrňovacích jednotek s hlubokou regulací výstupního napětí a proudu.

Výhody polovodičových měničů předurčily jejich široké použití v systémech nepřerušitelného napájení. Rozšířil se rozsah použití výkonových elektronických zařízení v oblasti spotřební elektroniky (regulátory napětí apod.).

Od počátku 80. let se díky intenzivnímu rozvoji elektroniky rozběhla tvorba nové generace produktů výkonové elektroniky. Základem pro ni byl vývoj a industrializace nových typů výkonových polovodičových součástek: vypínacích tyristorů, bipolární tranzistory, MOS tranzistory atd. Současně se vyvinula rychlost polovodičových součástek, hodnoty mezních parametrů diod a tyristorů, integrované a hybridní technologie pro výrobu polovodičových součástek různých typů, mikroprocesor technologie se začala široce zavádět pro ovládání a monitorování převodníků.

Použití nové základny prvků umožnilo zásadně zlepšit tak důležité technicko-ekonomické ukazatele, jako je účinnost, měrné hmotnostní a objemové hodnoty, spolehlivost, kvalita výstupních parametrů atd. Byl identifikován trend zvyšování frekvence přeměny el. . V současné době byly vyvinuty miniaturní sekundární zdroje energie nízkého a středního výkonu se střední přeměnou elektřiny na frekvencích v nadzvukovém rozsahu. Rozvoj vysokofrekvenčního (nad 1 MHz) rozsahu vedl k nutnosti řešit řadu vědeckých a technických problémů při navrhování převodníků a zajišťování jejich elektromagnetické kompatibility jako součásti technických systémů. Technický a ekonomický efekt získaný přechodem na vyšší frekvence plně kompenzoval náklady na řešení těchto problémů. Proto v současnosti pokračuje tendence vytvářet mnoho typů měničových zařízení s mezilehlým vysokofrekvenčním spojem.

Nutno podotknout, že použití plně řízených vysokorychlostních polovodičových součástek v tradičních obvodech výrazně rozšiřuje jejich možnosti při poskytování nových provozních režimů a následně i nových funkčních vlastností produktů výkonové elektroniky.

Recenzent doktor technických věd F. I. Kovalev

Jsou nastíněny principy přeměny elektrické energie: usměrnění, inverze, přeměna frekvence atd. Jsou popsány základní obvody měničových zařízení, způsoby jejich ovládání a regulace hlavních parametrů, ukázány oblasti racionálního použití různých typů měničů. Zvažují se vlastnosti konstrukce a provozu.

Pro inženýry a techniky, kteří vyvíjejí a provozují elektrické systémy obsahující měničová zařízení, stejně jako pro ty, kteří se zabývají testováním a servisem měničových zařízení.

Rožanov K. Základy výkonové elektroniky. - Moskva, nakladatelství Energoatomizdat, 1992. - 296 s.

Předmluva
Zavedení

Kapitola první. Základní prvky výkonové elektroniky
1.1. Výkonové polovodiče
1.1.1. Výkonové diody
1.1.2. Výkonové tranzistory
1.1.3. Tyristory
1.1.4. Aplikace výkonových polovodičových součástek
1.2. Transformátory a reaktory
1.3. Kondenzátory

Kapitola druhá. Usměrňovače
2.1. Obecné informace
2.2. Základní usměrňovací obvody
2.2.1. Jednofázový celovlnný obvod se středem
2.2.2. Jednofázový můstkový obvod
2.2.3. Třífázový obvod se středem
2.2.4. Třífázový můstkový obvod
2.2.5. Vícemůstkové okruhy
2.2.6. Harmonické složení usměrněného napětí a primárních proudů v usměrňovacích obvodech
2.3. Spínací a pracovní režimy usměrňovačů
2.3.1. Spínací proudy v usměrňovacích obvodech
2.3.2. Vnější charakteristiky usměrňovačů
2.4. Energetické charakteristiky usměrňovačů a způsoby jejich zlepšení
2.4.1. Účiník a účinnost usměrňovačů
2.4.2. Zlepšení účiníku řízených usměrňovačů
2.5. Vlastnosti provozu usměrňovačů pro kapacitní zátěž a zpětné EMF
2.6. Anti-aliasingové filtry
2.7. Provoz usměrňovače ze zdroje srovnatelného výkonu

Kapitola třetí. Střídače a frekvenční měniče
3.1. Invertory řízené sítí
3.1.1. Jednofázový středový střídač
3.1.2. Třífázový můstkový střídač
3.1.3. Rovnováha výkonu ve střídači poháněném sítí
3.1.4. Hlavní charakteristiky a provozní režimy střídačů řízených sítí
3.2. Autonomní střídače
3.2.1. Současné měniče
3.2.2. Střídače napětí
3.2.3. Napěťové měniče na bázi tyristorů
3.2.4. Rezonanční měniče
3.3. Frekvenční měniče
3.3.1. Frekvenční měniče s meziobvodem
3.3.2. Přímo vázané frekvenční měniče
3.4. Regulace výstupního napětí autonomních měničů
3.4.1. Obecné principy regulace
3.4.2. Řídicí zařízení pro proudové měniče
3.4.3. Regulace výstupního napětí pomocí pulzně šířkové modulace (PWM)
3.4.4. Geometrické sčítání napětí
3.5. Metody zlepšení průběhu výstupního napětí střídačů a frekvenčních měničů
3.5.1. Vliv nesinusového napětí na spotřebiče elektřiny
3.5.2. Invertorové výstupní filtry
3.5.3. Redukce vyšších harmonických ve výstupním napětí bez použití filtrů

Kapitola čtvrtá. Regulátory-stabilizátory a statické stykače
4.1. regulátory střídavého napětí
4.2. DC regulátory-stabilizátory
4.2.1. Parametrické stabilizátory
4.2.2. Kontinuální stabilizátory
4.2.3. Spínací regulátory
4.2.4. Vývoj struktur spínacích regulátorů
4.2.5. Tyristoro-kondenzátorové stejnosměrné regulátory s dávkovaným přenosem energie do zátěže
4.2.6. Kombinovaný měnič-regulátory
4.3. Statické stykače
4.3.1. Tyristorové AC stykače
4.3.2. Tyristorové stejnosměrné stykače

Kapitola pátá. Řídicí systémy převodníků
5.1. Obecné informace
5.2. Bloková schémata řídicích systémů pro měničová zařízení
5.2.1. Řídicí systémy pro usměrňovače a závislé střídače
5.2.2. Řídicí systémy přímo vázaných frekvenčních měničů
5.2.3. Řídicí systémy pro autonomní měniče
5.2.4. Řídicí systémy pro regulátory-stabilizátory
5.3. Mikroprocesorové systémy v převodníkové technice
5.3.1. Typické zobecněné struktury mikroprocesorů
5.3.2. Příklady použití mikroprocesorových řídicích systémů

Kapitola šestá. Aplikace výkonových elektronických zařízení
6.1. Oblasti racionálního použití
6.2. Všeobecné technické požadavky
6.3. Ochrana v nouzových režimech
6.4. Provozní monitoring a diagnostika technického stavu
6.5. Zajištění paralelního provozu převodníků
6.6. Elektromagnetické rušení
Reference

Reference
1. GOST 20859.1-89 (ST SEV 1135-88). Polovodičová výkonová zařízení jedné unifikované řady. Všeobecné technické podmínky.

2. Chebovsky O. G., Moiseev L. G., Nedoshivin R. P. Power semiconductor devices: Handbook. -2. vyd., revidováno. a doplňkové M.: Energoatomizdat, 1985.

3 Iravis V. Diskrétní výkonové polovodiče //EDN. 1984. Sv. 29, N 18. S. 106-127.

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

5 Chen D. Polovodiče: rychlé, odolné a kompaktní // IEEE Spectrum. 1987. Sv. 24, N 9. S. 30-35.

6. Výkonové polovodičové moduly v zahraničí / V. B. Zilbershtein, S. V. Mashin, V. A. Potapchuk aj. // Elektrotechnický průmysl. Ser. 05. Technologie přeměny energie. 1988. Sv. 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. Studium závislosti objemů elektromagnetických prvků na frekvenci // Elektrotechnický průmysl. Konverzní technologie. 1983. č. 10. S. 3-6.

9. Elektrické kondenzátory a kondenzátorové instalace: Příručka / V. P. Berzan, B. Yu Gelikman, M. N. Guraevsky a další. G. S. Kuchinsky. M.: Energoatomizdat, 1987.

10. Polovodičové usměrňovače / Ed. F.I. Kovalev a G.P. M.: Energie, 1978.

11. Konfigurace obvodu převodníku GTO pro supravodivé magnetické ukládání energie / Toshifumi JSE, James J. Skiles, Kohert L., K. V. Stom, J. Wang//IEEE 19th Power Electronics Specialists Conference (PESC"88), Kyoto, Japonsko, 11. - 14. dubna 1988. S. 108-115.

12. Rozanov Yu K. Základy technologie měničů energie. M.: Energie, 1979.

13. Chizhenko I. M., Rudenko V. S., Seyko V. I. Základy technologie konvertorů. M.: Vyšší škola, 1974.

14. Ivanov V. A. Dynamika autonomních měničů s přímým spínáním. M.: Energie, 1979.

15. Kovalev F.I., Mustafa G.M., Baregemyan G.V. Řízení vypočítanou předpovědí pulzního měniče se sinusovým výstupním napětím // Elektrotechnický průmysl. Konverzní technologie. 1981. č. 6(34).P. 10-14.

16. Middelbrook R. D. Izolace a rozšíření více výstupů nové optimální topologie přepínání DC - tv - DC měniče//IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC"78), 1978. S. 256-264.

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

18. Rozinov Yu K. Polovodičové měniče s vysokofrekvenčním spojem. M.: Energoatomizdat, 1987.

19. Kalabekov A. A. Mikroprocesory a jejich aplikace v systémech přenosu a zpracování signálů. M.: Rádio a komunikace, 1988.

20. Řídicí stroje Stroganov R.P. a jejich aplikace. M.: Vyšší škola, 1986.

21. Obukhov S.T., Ramizevich T.V. Aplikace mikropočítačů pro řízení ventilových měničů // Elektrotechnický průmysl. Konverzní technologie. 1983. Sv. 3(151). P. 9

22. Řízení ventilových měničů na bázi mikroprocesorů / Yu M. Bykov, I. T. Par, L. Ya Raskin, L. P. Detkin // Elektrotechnický průmysl. Konverzní technologie. 1985. Sv. 10. S. 117.

23. Matsui N., Takeshk T., Vura M. Jednočipové mikro - Počítačový ovladač pro MC Hurray Juneter // Transakce IEEE na průmyslové elektronice, 1984. Sv. JE-31, N 3. str. 249-254.

24. Bulatov O. G., Ivanov V. S., Panfilov D. I. Polovodičové nabíječky pro kapacitní zařízení pro ukládání energie. M.: Rádio a komunikace, 1986.

PŘEDMLUVA

Výkonová elektronika je neustále se rozvíjející a perspektivní obor elektrotechniky. Pokroky v moderní výkonové elektronice mají zásadní vliv na tempo technologického pokroku ve všech vyspělých průmyslových společnostech. V tomto ohledu je potřeba, aby široký okruh vědeckých a technických pracovníků měl jasnější pochopení základů moderní výkonové elektroniky.

Výkonová elektronika má v současnosti poměrně dobře propracované teoretické základy, ale autor si nedal za úkol je ani částečně prezentovat, neboť této problematice je věnována řada monografií a učebnic. Obsah této knihy a metodika její prezentace je určena především pro inženýrské a technické pracovníky, kteří nejsou specialisty v oboru výkonové elektroniky, ale jsou spojeni s používáním a provozem elektronických zařízení a přístrojů a chtějí získat porozumění o základních principech činnosti elektronických zařízení, jejich obvodech a obecných ustanoveních pro vývoj a provoz. Většinu oddílů knihy navíc mohou využít i studenti různých technických vzdělávacích institucí při studiu oborů, jejichž učební plán zahrnuje problematiku výkonové elektroniky.