Fundamentos de la electrónica de potencia. Rozanov Yu. Fundamentos de la electrónica de potencia Fundamentos de la electrónica de potencia.

Electrónica de potencia es un campo de la ciencia y la tecnología que resuelve el problema de la creación de dispositivos electrónicos de potencia, así como el problema de obtener una cantidad significativa de energía eléctrica, controlar procesos eléctricos potentes y convertir la energía eléctrica en energía suficientemente grande de otro tipo cuando se utilizan estos dispositivos como principal. herramienta.

Los dispositivos electrónicos de potencia basados ​​en semiconductores se analizan a continuación. Estos dispositivos son los más utilizados.

Las células solares comentadas anteriormente se utilizan desde hace mucho tiempo para generar energía eléctrica. Actualmente, la proporción de esta energía en el volumen total de electricidad es pequeña. Sin embargo, muchos científicos, incluido el académico ganador del Premio Nobel Zh.I. Alferov considera que las células solares son fuentes muy prometedoras de energía eléctrica que no alteran el equilibrio energético en la Tierra.

El control de los procesos eléctricos de alta potencia es precisamente el problema en el que los dispositivos semiconductores de potencia ya se utilizan ampliamente y la intensidad de su uso está aumentando rápidamente. Esto se explica por las ventajas de los dispositivos semiconductores de potencia, las principales de las cuales son alta velocidad, baja caída en estado abierto y baja caída en estado cerrado (lo que garantiza bajas pérdidas de energía), alta confiabilidad, importante capacidad de carga de corriente y voltaje. pequeño tamaño y peso, facilidad de uso, unidad orgánica con dispositivos semiconductores de electrónica de la información, lo que facilita la combinación de elementos de alta y baja corriente.

En muchos países se han iniciado intensos trabajos de investigación sobre electrónica de potencia y, gracias a ello, se mejoran constantemente los dispositivos semiconductores de potencia, así como los dispositivos electrónicos basados ​​en ellos. Esto asegura la rápida expansión de las aplicaciones de la electrónica de potencia, lo que a su vez estimula la investigación. Aquí podemos hablar de retroalimentación positiva a escala de todo un área de la actividad humana. El resultado es la rápida penetración de la electrónica de potencia en una amplia variedad de campos técnicos.

Una proliferación particularmente rápida de dispositivos electrónicos de potencia comenzó después de la creación de los transistores de efecto de campo de potencia y los IGBT.

Esto fue precedido por un período bastante largo en el que el principal dispositivo semiconductor de potencia era un tiristor abierto, creado en los años 50 del siglo pasado. Los tiristores sin enclavamiento han desempeñado un papel destacado en el desarrollo de la electrónica de potencia y se utilizan ampliamente en la actualidad. Pero la imposibilidad de apagar mediante impulsos de control a menudo dificulta su uso. Durante décadas, los desarrolladores de dispositivos de potencia han tenido que aceptar este inconveniente, en algunos casos utilizando componentes de circuitos de potencia bastante complejos para apagar los tiristores.

El uso generalizado de tiristores condujo a la popularidad del término "tecnología de tiristores", que surgió en ese momento, y que se usaba en el mismo sentido que el término "electrónica de potencia".

Los transistores bipolares de potencia desarrollados durante este período encontraron su campo de aplicación, pero no cambiaron radicalmente la situación en la electrónica de potencia.

Solo con la llegada de los transistores de efecto de campo de potencia y 10 vatios, los ingenieros tuvieron interruptores electrónicos totalmente controlables, acercándose a los ideales en sus propiedades. Esto facilitó enormemente la solución de una variedad de problemas relacionados con el control de potentes procesos eléctricos. La presencia de interruptores electrónicos bastante avanzados permite no solo conectar instantáneamente una carga a una fuente constante o alterna y desconectarla, sino también generar señales de corriente muy grandes o casi cualquier forma requerida para ello.

Los dispositivos típicos de electrónica de potencia más comunes son:

dispositivos de conmutación sin contacto corriente alterna y continua (disyuntores), diseñados para encender o apagar una carga en un circuito de corriente alterna o continua y, en ocasiones, para regular la potencia de la carga;

rectificadores, transformando una variable en una polaridad (unidireccional);

inversores, convirtiendo una constante en una variable;

convertidores de frecuencia, convirtiendo una variable de una frecuencia en una variable de otra frecuencia;

Convertidores CC(convertidores) que convierten una constante de una cantidad en una constante de otra cantidad;

convertidores de número de fase, convirtiendo una variable alterna con un número de fases en una variable con diferente número de fases (normalmente monofásica se convierte en trifásica o trifásica en monofásica);

compensadores(correctores del factor de potencia), diseñados para compensar la potencia reactiva en la red de suministro de CA y para compensar las distorsiones en las formas de onda de corriente y voltaje.

Básicamente, los dispositivos de electrónica de potencia realizan la conversión de señales eléctricas de alta potencia. Por eso la electrónica de potencia también se llama tecnología de convertidores.

Los dispositivos de electrónica de potencia, tanto estándar como especializados, se utilizan en todas las áreas de la tecnología y en casi cualquier equipo científico bastante complejo.

A modo de ilustración, indicamos algunos objetos en los que dispositivos electronicos de potencia realizar funciones importantes:

Accionamiento eléctrico (control de velocidad y par, etc.);

Instalaciones de electrólisis (metalurgia no ferrosa, industria química);

Equipos eléctricos para transmitir electricidad a largas distancias utilizando corriente continua;

Equipos electrometalúrgicos (mezcla electromagnética de metales, etc.);

Instalaciones electrotérmicas (calentamiento por inducción, etc.);

Equipos eléctricos para cargar baterías;

Computadoras;

Equipos eléctricos de automóviles y tractores;

Equipos eléctricos de aviones y naves espaciales;

Dispositivos de comunicación por radio;

Equipos para retransmisiones televisivas;

Dispositivos de iluminación eléctrica (alimentación de lámparas fluorescentes, etc.);

Equipos electromédicos (terapia de ultrasonido y cirugía, etc.);

Herramientas eléctricas;

Dispositivos electrónicos de consumo.

El desarrollo de la electrónica de potencia también está cambiando los enfoques mismos para resolver problemas técnicos. Por ejemplo, la creación de transistores de efecto de campo de potencia e IGBT contribuye significativamente a ampliar el ámbito de aplicación de los motores inductores, que en varias áreas están reemplazando a los motores de conmutación.

Un factor importante que influye favorablemente en la difusión de los dispositivos de electrónica de potencia es el éxito de la electrónica de la información y, en particular, de la tecnología de microprocesadores. Para controlar potentes procesos eléctricos se utilizan algoritmos cada vez más complejos, que sólo pueden implementarse racionalmente utilizando dispositivos electrónicos de información suficientemente avanzados.

El uso conjunto eficaz de los avances en la electrónica de potencia y de datos produce resultados verdaderamente sobresalientes.

Los dispositivos existentes para convertir energía eléctrica en otro tipo de energía cuando se utilizan directamente dispositivos semiconductores aún no tienen una potencia de salida elevada. Sin embargo, también aquí se obtuvieron resultados alentadores.

Los láseres semiconductores convierten la energía eléctrica en energía de radiación coherente en los rangos ultravioleta, visible e infrarrojo. Estos láseres se propusieron en 1959 y se implementaron por primera vez utilizando arseniuro de galio (GaAs) en 1962. Los láseres basados ​​en semiconductores se caracterizan por una alta eficiencia (superior al 10%) y una larga vida útil. Se utilizan, por ejemplo, en focos de infrarrojos.

Los LED blancos ultrabrillantes, que aparecieron en los años 90 del siglo pasado, ya se utilizan en algunos casos para la iluminación en lugar de lámparas incandescentes. Los LED son mucho más económicos y tienen una vida útil mucho más larga. Se espera que el alcance de la iluminación LED se expanda rápidamente.

En este artículo hablaremos de electrónica de potencia. ¿Qué es la electrónica de potencia, en qué se basa, qué ventajas aporta y cuáles son sus perspectivas? Detengámonos en los componentes de la electrónica de potencia, consideremos brevemente qué son, en qué se diferencian entre sí y para qué aplicaciones son adecuados estos u otros tipos de interruptores semiconductores. Pongamos ejemplos de dispositivos electrónicos de potencia utilizados en la vida cotidiana, en la producción y en el hogar.

En los últimos años, los dispositivos de electrónica de potencia han permitido lograr un importante avance tecnológico en el ahorro de energía. Los dispositivos semiconductores de potencia, gracias a su control flexible, permiten convertir energía eléctrica de manera eficiente. Los indicadores de peso y tamaño y la eficiencia alcanzada hoy ya han llevado los dispositivos convertidores a un nivel cualitativamente nuevo.

Muchas industrias utilizan arrancadores suaves, controladores de velocidad y fuentes de alimentación ininterrumpida que funcionan sobre una base de semiconductores moderna y muestran una alta eficiencia. Todos estos son productos electrónicos de potencia.

El flujo de energía eléctrica en la electrónica de potencia se controla mediante interruptores semiconductores, que reemplazan a los interruptores mecánicos y que pueden controlarse según el algoritmo requerido para obtener la potencia promedio requerida y la acción precisa del elemento de trabajo de un equipo en particular.

Así, la electrónica de potencia se utiliza en el transporte, en la industria minera, en el sector de las comunicaciones, en muchas industrias, y hoy en día ni un solo electrodoméstico potente puede prescindir de las unidades de electrónica de potencia incluidas en su diseño.

Los componentes principales de la electrónica de potencia son los componentes semiconductores clave, que son capaces de abrir y cerrar un circuito a diferentes velocidades, hasta megahercios. Cuando está encendida, la resistencia de la tecla son unidades y fracciones de ohmio, y cuando está apagada, es megaohmios.

El control clave no requiere mucha energía y las pérdidas en el interruptor que se producen durante el proceso de conmutación, con un controlador bien diseñado, no superan el uno por ciento. Por esta razón, la eficiencia de la electrónica de potencia resulta alta en comparación con las posiciones descendentes de los transformadores de hierro y los interruptores mecánicos como los relés convencionales.

Los dispositivos electrónicos de potencia son dispositivos en los que la corriente efectiva es mayor o igual a 10 amperios. En este caso, los elementos semiconductores clave pueden ser: transistores bipolares, transistores de efecto de campo, transistores IGBT, tiristores, triacs, tiristores de apagado y tiristores de apagado con control integrado.

La baja potencia de control también permite crear microcircuitos de potencia que combinan varios bloques a la vez: el interruptor en sí, el circuito de control y el circuito de monitoreo son los llamados circuitos inteligentes.

Estos ladrillos electrónicos se utilizan tanto en potentes instalaciones industriales como en electrodomésticos. Un horno de inducción de un par de megavatios o un vaporizador doméstico de un par de kilovatios: ambos tienen interruptores de potencia semiconductores que simplemente funcionan con diferentes potencias.

Así, los tiristores de potencia funcionan en convertidores con una potencia superior a 1 MVA, en circuitos de accionamientos eléctricos de CC y accionamientos de CA de alto voltaje, y se utilizan en instalaciones de compensación de potencia reactiva y en instalaciones de fusión por inducción.

Los tiristores de apagado se controlan de forma más flexible; se utilizan para controlar compresores, ventiladores, bombas con una potencia de cientos de KVA y la potencia de conmutación potencial supera los 3 MVA. permiten implementar convertidores de potencia de hasta unidades de MVA para diversos fines, tanto para el control de motores como para garantizar el suministro eléctrico ininterrumpido y la conmutación de altas corrientes en muchas instalaciones estáticas.

Los transistores de efecto de campo MOSFET se caracterizan por una excelente capacidad de control a frecuencias de cientos de kilohercios, lo que amplía significativamente el alcance de su aplicabilidad en comparación con los transistores IGBT.

Los triacs son óptimos para arrancar y controlar motores de CA; son capaces de operar a frecuencias de hasta 50 kHz y requieren menos energía para controlarlos que los transistores IGBT.

Hoy en día, los transistores IGBT alcanzan un voltaje de conmutación máximo de 3500 voltios y potencialmente de 7000 voltios. Estos componentes pueden sustituir a los transistores bipolares en los próximos años y se utilizarán en equipos de hasta unidades MVA. Para los convertidores de baja potencia, los transistores MOSFET seguirán siendo más aceptables y, para más de 3 MVA, los tiristores de apagado seguirán siendo más aceptables.

Según los analistas, la mayoría de los semiconductores de potencia en el futuro tendrán un diseño modular, cuando un paquete albergará de dos a seis elementos clave. El uso de módulos permite reducir peso, dimensiones y coste de los equipos en los que se utilizarán.

Para los transistores IGBT, el progreso será un aumento de las corrientes a 2 kA con voltajes de hasta 3,5 kV y un aumento de las frecuencias de funcionamiento a 70 kHz con circuitos de control simplificados. Un módulo puede contener no solo interruptores y un rectificador, sino también un controlador y circuitos de protección activa.

Los transistores, diodos y tiristores producidos en los últimos años ya han mejorado significativamente sus parámetros, como la corriente, el voltaje, la velocidad, y el progreso no se detiene.

Para una mejor conversión de corriente alterna en corriente continua, se utilizan rectificadores controlados, que permiten cambiar suavemente la tensión rectificada en el rango de cero a nominal.

Hoy en día, los tiristores se utilizan principalmente en los sistemas de excitación de accionamientos eléctricos de CC para motores síncronos. Los tiristores duales (triacs) tienen un solo electrodo de control para dos tiristores conectados espalda con espalda, lo que simplifica aún más el control.

Para realizar el proceso inverso se utiliza la conversión de tensión continua a tensión alterna. Los inversores independientes basados ​​en interruptores semiconductores producen una frecuencia, forma y amplitud de salida determinadas por el circuito electrónico y no por la red. Los inversores se fabrican a partir de varios tipos de elementos clave, pero para potencias elevadas, superiores a 1 MVA, los inversores basados ​​en transistores IGBT vuelven a destacar.

A diferencia de los tiristores, los transistores IGBT permiten modelar la corriente y el voltaje de salida de manera más amplia y precisa. Los inversores automotrices de baja potencia utilizan en su trabajo transistores de efecto de campo que, con potencias de hasta 3 kW, hacen un excelente trabajo al convertir la corriente continua de una batería con un voltaje de 12 voltios, primero en corriente continua, utilizando un alto -Convertidor de impulsos de frecuencia que funciona a una frecuencia de 50 kHz a cientos de kilohercios, luego - a una frecuencia variable de 50 o 60 Hz.

Para convertir una corriente de una frecuencia en una corriente de otra frecuencia, se utiliza. Anteriormente, esto se hacía exclusivamente sobre la base de tiristores, que no eran completamente controlables; era necesario diseñar circuitos complejos para el bloqueo forzado de los tiristores.

El uso de interruptores como los MOSFET de efecto de campo y los transistores IGBT facilita el diseño y la implementación de convertidores de frecuencia, y se puede predecir que en el futuro los tiristores, especialmente en dispositivos de baja potencia, se abandonarán en favor de los transistores.

Para invertir los accionamientos eléctricos, todavía se utilizan tiristores; basta con tener dos juegos de convertidores de tiristores para proporcionar dos direcciones diferentes de corriente sin necesidad de conmutación. Así funcionan los modernos arrancadores inversores sin contacto.

Esperamos que nuestro breve artículo le haya resultado útil y que ahora sepa qué es la electrónica de potencia, qué elementos de la electrónica de potencia se utilizan en los dispositivos electrónicos de potencia y cuán grande es el potencial de la electrónica de potencia para nuestro futuro.

• Prefacio
• Introducción
• Capítulo uno. Elementos básicos de la electrónica de potencia.
  • 1.1. Semiconductores de potencia
    • 1.1.1. diodos de potencia
    • 1.1.2. transistores de potencia
    • 1.1.3. tiristores
    • 1.1.4. Aplicaciones de dispositivos semiconductores de potencia.
  • 1.2. Transformadores y reactores
  • 1.3. Condensadores
• Capítulo dos. Rectificadores
  • 2.1. información general
  • 2.2. Circuitos de rectificación básicos
    • 2.2.1. Circuito monofásico de onda completa con punto medio.
    • 2.2.2. Circuito puente monofásico
    • 2.2.3. Circuito trifásico con punto medio.
    • 2.2.4. Circuito puente trifásico
    • 2.2.5. Circuitos multipuente
    • 2.2.6. Composición armónica de tensión rectificada y corrientes primarias en circuitos de rectificación.
  • 2.3. Modos de conmutación y funcionamiento de rectificadores.
    • 2.3.1. Corrientes de conmutación en circuitos de rectificación.
    • 2.3.2. Características externas de los rectificadores.
  • 2.4. Características energéticas de los rectificadores y formas de mejorarlos.
    • 2.4.1. Factor de potencia y eficiencia de rectificadores.
    • 2.4.2. Mejora del factor de potencia de los rectificadores controlados.
  • 2.5. Características del funcionamiento de rectificadores para carga capacitiva y back-EMF.
  • 2.6. Filtros suavizados
  • 2.7. Operación de un rectificador desde una fuente de energía comparable.
• Capítulo tres. Inversores y convertidores de frecuencia.
  • 3.1. Inversores impulsados ​​por la red
    • 3.1.1. Inversor monofásico de punto medio
    • 3.1.2. Inversor puente trifásico
    • 3.1.3. Balance de energía en un inversor conectado a la red
    • 3.1.4. Principales características y modos de funcionamiento de los inversores de red.
  • 3.2. Inversores autónomos
    • 3.2.1. Inversores de corriente
    • 3.2.2. Inversores de voltaje
    • 3.2.3. Inversores de tensión basados ​​en tiristores.
    • 3.2.4. Inversores resonantes
  • 3.3. Convertidores de frecuencia
    • 3.3.1. Convertidores de frecuencia con enlace CC intermedio
    • 3.3.2. Convertidores de frecuencia de acoplamiento directo
  • 3.4. Regulación de la tensión de salida de inversores autónomos.
    • 3.4.1. Principios generales de regulación.
    • 3.4.2. Dispositivos de control para inversores de corriente.
    • 3.4.3. Regulación de la tensión de salida mediante modulación de radiofrecuencia (PWM)
    • 3.4.4. Suma geométrica de tensiones.
  • 3.5. Métodos para mejorar la forma de onda del voltaje de salida de inversores y convertidores de frecuencia.
    • 3.5.1. La influencia del voltaje no sinusoidal en los consumidores de electricidad.
    • 3.5.2. Filtros de salida del inversor
    • 3.5.3. Reducción de armónicos superiores en la tensión de salida sin el uso de filtros
• Capítulo cuatro. Reguladores-estabilizadores y contactores estáticos
  • 4.1. Reguladores de voltaje CA
  • 4.2. Reguladores-estabilizadores DC
    • 4.2.1. Estabilizadores paramétricos
    • 4.2.2. Estabilizadores continuos
    • 4.2.3. Reguladores de conmutación
    • 4.2.4. Desarrollo de estructuras reguladoras de conmutación.
    • 4.2.5. Reguladores de CC de tiristor-condensador con transferencia de energía dosificada a la carga
    • 4.2.6. Convertidor-regulador combinado
  • 4.3. Contactores estáticos
    • 4.3.1. Contactores de CA de tiristores
    • 4.3.2. Contactores CC de tiristor
• Capítulo cinco. Sistemas de control de convertidores
  • 5.1. información general
  • 5.2. Diagramas de bloques de sistemas de control para dispositivos convertidores.
    • 5.2.1. Sistemas de control para rectificadores e inversores dependientes.
    • 5.2.2. Sistemas de control de convertidor de frecuencia de acoplamiento directo
    • 5.2.3. Sistemas de control para inversores autónomos.
    • 5.2.4. Sistemas de control para reguladores-estabilizadores.
  • 5.3. Sistemas de microprocesadores en tecnología de convertidores
    • 5.3.1. Estructuras típicas de microprocesadores generalizados.
    • 5.3.2. Ejemplos de uso de sistemas de control por microprocesador.
• Capítulo seis. Aplicaciones de los dispositivos electrónicos de potencia.
  • 6.1. Áreas de aplicación racional
  • 6.2. Requisitos técnicos generales
  • 6.3. Protección en modos de emergencia.
  • 6.4. Monitoreo operativo y diagnóstico de condición técnica.
  • 6.5. Garantizar el funcionamiento paralelo de los convertidores
  • 6.6. Interferencia electromagnética
• Referencias

INTRODUCCIÓN

En ingeniería electrónica se distinguen la electrónica de potencia y la electrónica de la información. La electrónica de potencia surgió inicialmente como un campo de la tecnología asociado principalmente a la transformación de diversos tipos de energía eléctrica mediante el uso de dispositivos electrónicos. Los avances posteriores en el campo de las tecnologías de semiconductores permitieron ampliar significativamente la funcionalidad de los dispositivos electrónicos de potencia y, en consecuencia, el alcance de su aplicación.

Los dispositivos electrónicos de potencia modernos permiten controlar el flujo de electricidad no solo para convertirlo de un tipo a otro, sino también para distribuirlo, organizar la protección de alta velocidad de los circuitos eléctricos, compensar la potencia reactiva, etc. Estas funciones, Estrechamente relacionadas con las tareas tradicionales de la industria eléctrica, se han determinado otras. El nombre de electrónica de potencia es electrónica de energía. La electrónica de la información se utiliza principalmente para gestionar procesos de información. En particular, los dispositivos electrónicos de información son la base de los sistemas de control y regulación de diversos objetos, incluidos los dispositivos electrónicos de potencia.

Sin embargo, a pesar de la intensa expansión de las funciones de los dispositivos de electrónica de potencia y sus áreas de aplicación, los principales problemas y tareas científicos y técnicos resueltos en el campo de la electrónica de potencia están asociados. transformación de la energía eléctrica.

La electricidad se utiliza en diferentes formas: en forma de corriente alterna con una frecuencia de 50 Hz, en forma de corriente continua (más del 20% de toda la electricidad generada), así como corriente alterna de alta frecuencia o corrientes de forma especial. (por ejemplo, pulsado, etc.). Esta diferencia se debe principalmente a la diversidad y especificidad de los consumidores y, en algunos casos (por ejemplo, en los sistemas autónomos de suministro de energía) a las fuentes primarias de electricidad.

La diversidad de tipos de electricidad consumida y generada exige su conversión. Los principales tipos de conversión de electricidad son:

• 1) rectificación (conversión de corriente alterna en corriente continua);
• 2) inversión (conversión de corriente continua en corriente alterna);
• 3) conversión de frecuencia (conversión de corriente alterna de una frecuencia en corriente alterna de otra frecuencia).

También existen otros tipos de conversión menos comunes: formas de onda de corriente, número de fases, etc. En algunos casos, se utiliza una combinación de varios tipos de conversión. Además, la electricidad se puede convertir para mejorar la calidad de sus parámetros, por ejemplo, para estabilizar el voltaje o la frecuencia de la corriente alterna.

La conversión de electricidad se puede realizar de varias formas. En particular, lo tradicional en la ingeniería eléctrica es la transformación mediante unidades de máquinas eléctricas que constan de un motor y un generador unidos por un eje común. Sin embargo, este método de conversión tiene una serie de desventajas: la presencia de piezas móviles, inercia, etc. Por lo tanto, en paralelo con el desarrollo de la conversión de máquinas eléctricas en ingeniería eléctrica, se prestó mucha atención al desarrollo de métodos para la conversión estática de electricidad. . La mayoría de estos desarrollos se basaron en el uso de elementos no lineales de tecnología electrónica. Los elementos principales de la electrónica de potencia, que se convirtieron en la base para la creación de convertidores estáticos, fueron los dispositivos semiconductores. La conductividad de la mayoría de los dispositivos semiconductores depende significativamente de la dirección de la corriente eléctrica: en la dirección directa su conductividad es alta, en la dirección inversa es pequeña (es decir, un dispositivo semiconductor tiene dos estados claramente definidos: abierto y cerrado). Los dispositivos semiconductores pueden estar controlados o no controlados. En estos últimos, es posible controlar el momento de inicio de su alta conductividad (encendido) mediante impulsos de control de baja potencia. Los primeros trabajos nacionales dedicados al estudio de dispositivos semiconductores y su uso para convertir electricidad fueron trabajos de los académicos V. F. Mitkevich, N. D. Papeleksi y otros.

En la década de 1930, los dispositivos de descarga de gas (válvulas de mercurio, tiratrones, gastrones, etc.) eran comunes en la URSS y en el extranjero. Simultáneamente con el desarrollo de los dispositivos de descarga de gas, se desarrolló la teoría de la conversión de electricidad. Se han desarrollado tipos básicos de circuitos y se han llevado a cabo extensas investigaciones sobre los procesos electromagnéticos que ocurren durante la rectificación e inversión de la corriente alterna. Al mismo tiempo, aparecieron los primeros trabajos sobre el análisis de circuitos de inversores autónomos. En el desarrollo de la teoría de los convertidores de iones, el trabajo de los científicos soviéticos I. L. Kaganov, M. A. Chernyshev, D. A. Zavalishin, así como de los extranjeros: K. Müller-Lübeck, M. Demontvigne, V. Schiling y otros.

Una nueva etapa en el desarrollo de la tecnología de convertidores comenzó a finales de los años 50, cuando aparecieron potentes dispositivos semiconductores: diodos y tiristores. Estos dispositivos, desarrollados a base de silicio, tienen características técnicas muy superiores a los dispositivos de descarga de gas. Tienen pequeñas dimensiones y peso, tienen un alto valor de eficiencia, alta velocidad y mayor confiabilidad cuando funcionan en un amplio rango de temperaturas.

El uso de dispositivos semiconductores de potencia ha influido significativamente en el desarrollo de la electrónica de potencia. Se convirtieron en la base para el desarrollo de dispositivos convertidores de todo tipo altamente eficientes. En estos desarrollos, se adoptaron muchos circuitos y soluciones de diseño fundamentalmente nuevos. El desarrollo de dispositivos semiconductores de potencia por parte de la industria ha intensificado la investigación en esta área y la creación de nuevas tecnologías. Teniendo en cuenta las características específicas de los dispositivos semiconductores de potencia, se perfeccionaron los antiguos métodos de análisis de circuitos y se desarrollaron nuevos métodos. Las clases de circuitos para inversores autónomos, convertidores de frecuencia, reguladores de CC y muchos otros se han ampliado significativamente y han aparecido nuevos tipos de dispositivos electrónicos de potencia: contactores estáticos con conmutación natural y artificial, compensadores de potencia reactiva de tiristores, dispositivos de protección de alta velocidad con voltaje. limitadores, etc

Los accionamientos eléctricos se han convertido en una de las principales áreas de uso eficaz de la electrónica de potencia. Se han desarrollado unidades de tiristores y dispositivos completos para accionamientos eléctricos de corriente continua y se utilizan con éxito en la metalurgia, la construcción de máquinas herramienta, el transporte y otras industrias. El desarrollo de tiristores ha supuesto un avance significativo en el campo de los accionamientos eléctricos de CA ajustables.

Se han creado dispositivos altamente eficientes que convierten la corriente de frecuencia industrial en corriente alterna de frecuencia variable para controlar la velocidad de los motores eléctricos. Para diversos campos de la tecnología, se han desarrollado muchos tipos de convertidores de frecuencia con parámetros de salida estabilizados. En particular, para el calentamiento por inducción de metales se han creado potentes unidades de tiristores de alta frecuencia, que proporcionan un gran efecto técnico y económico al aumentar su vida útil en comparación con las unidades de máquinas eléctricas.

A partir de la introducción de convertidores de semiconductores se llevó a cabo la reconstrucción de subestaciones eléctricas para el transporte eléctrico móvil. La calidad de algunos procesos tecnológicos en las industrias electrometalúrgica y química se ha mejorado significativamente mediante la introducción de unidades rectificadoras con regulación profunda del voltaje y la corriente de salida.

Las ventajas de los convertidores de semiconductores han determinado su uso generalizado en sistemas de suministro de energía ininterrumpida. Se ha ampliado el ámbito de aplicación de los dispositivos electrónicos de potencia en el campo de la electrónica de consumo (reguladores de tensión, etc.).

Desde principios de los años 80, gracias al intenso desarrollo de la electrónica, se inició la creación de una nueva generación de productos de electrónica de potencia. Su base fue el desarrollo e industrialización de nuevos tipos de dispositivos semiconductores de potencia: tiristores de apagado, transistores bipolares, transistores MOS, etc. Al mismo tiempo, se han desarrollado la velocidad de los dispositivos semiconductores, los valores de los parámetros límite de diodos y tiristores, tecnologías integradas e híbridas para la fabricación de dispositivos semiconductores de varios tipos, microprocesadores. La tecnología ha comenzado a introducirse ampliamente para controlar y monitorear los dispositivos convertidores.

El uso de una nueva base de elementos ha permitido mejorar fundamentalmente indicadores técnicos y económicos tan importantes como la eficiencia, los valores específicos de masa y volumen, la fiabilidad, la calidad de los parámetros de salida, etc. Se ha identificado una tendencia a aumentar la frecuencia de conversión de electricidad. . Actualmente se han desarrollado fuentes de energía secundarias en miniatura de baja y media potencia con conversión intermedia de electricidad en frecuencias en el rango supersónico. El desarrollo del rango de alta frecuencia (más de 1 MHz) ha llevado a la necesidad de resolver una serie de problemas científicos y técnicos en el diseño de dispositivos convertidores y garantizar su compatibilidad electromagnética como parte de los sistemas técnicos. El efecto técnico y económico obtenido al cambiar a frecuencias más altas compensó completamente los costos de resolver estos problemas. Por lo tanto, en la actualidad continúa la tendencia a crear muchos tipos de dispositivos convertidores con un enlace intermedio de alta frecuencia.

Cabe señalar que el uso de dispositivos semiconductores de alta velocidad totalmente controlados en circuitos tradicionales amplía significativamente sus capacidades para proporcionar nuevos modos de funcionamiento y, en consecuencia, nuevas propiedades funcionales de los productos de electrónica de potencia.

Revisor Doctor en Ciencias Técnicas F. I. Kovalev

Se describen los principios de la conversión de energía eléctrica: rectificación, inversión, conversión de frecuencia, etc. Se describen los circuitos básicos de los dispositivos de conversión, los métodos para controlarlos y regular los parámetros principales, y se muestran las áreas de uso racional de varios tipos de convertidores. Se consideran las características de diseño y operación.

Para ingenieros y técnicos que desarrollan y operan sistemas eléctricos que contienen dispositivos convertidores, así como para aquellos involucrados en pruebas y mantenimiento de equipos convertidores.

Rozanov K. Fundamentos de electrónica de potencia. - Moscú, editorial Energoatomizdat, 1992. - 296 p.

Prefacio
Introducción

Capítulo uno. Elementos básicos de la electrónica de potencia.
1.1. Semiconductores de potencia
1.1.1. diodos de potencia
1.1.2. transistores de potencia
1.1.3. tiristores
1.1.4. Aplicaciones de dispositivos semiconductores de potencia.
1.2. Transformadores y reactores
1.3. Condensadores

Capítulo dos. Rectificadores
2.1. información general
2.2. Circuitos de rectificación básicos
2.2.1. Circuito monofásico de onda completa con punto medio.
2.2.2. Circuito puente monofásico
2.2.3. Circuito trifásico con punto medio.
2.2.4. Circuito puente trifásico
2.2.5. Circuitos multipuente
2.2.6. Composición armónica de tensión rectificada y corrientes primarias en circuitos de rectificación.
2.3. Modos de conmutación y funcionamiento de rectificadores.
2.3.1. Corrientes de conmutación en circuitos de rectificación.
2.3.2. Características externas de los rectificadores.
2.4. Características energéticas de los rectificadores y formas de mejorarlos.
2.4.1. Factor de potencia y eficiencia de rectificadores.
2.4.2. Mejora del factor de potencia de los rectificadores controlados.
2.5. Características del funcionamiento de rectificadores para carga capacitiva y back-EMF.
2.6. Filtros suavizados
2.7. Operación de un rectificador desde una fuente de energía comparable.

Capítulo tres. Inversores y convertidores de frecuencia.
3.1. Inversores impulsados ​​por la red
3.1.1. Inversor monofásico de punto medio
3.1.2. Inversor puente trifásico
3.1.3. Balance de energía en un inversor conectado a la red
3.1.4. Principales características y modos de funcionamiento de los inversores de red.
3.2. Inversores autónomos
3.2.1. Inversores de corriente
3.2.2. Inversores de voltaje
3.2.3. Inversores de tensión basados ​​en tiristores.
3.2.4. Inversores resonantes
3.3. Convertidores de frecuencia
3.3.1. Convertidores de frecuencia con enlace CC intermedio
3.3.2. Convertidores de frecuencia de acoplamiento directo
3.4. Regulación de la tensión de salida de inversores autónomos.
3.4.1. Principios generales de regulación.
3.4.2. Dispositivos de control para inversores de corriente.
3.4.3. Regulación de la tensión de salida mediante modulación de ancho de pulso (PWM)
3.4.4. Suma geométrica de tensiones.
3.5. Métodos para mejorar la forma de onda del voltaje de salida de inversores y convertidores de frecuencia.
3.5.1. La influencia del voltaje no sinusoidal en los consumidores de electricidad.
3.5.2. Filtros de salida del inversor
3.5.3. Reducción de armónicos superiores en la tensión de salida sin el uso de filtros

Capítulo cuatro. Reguladores-estabilizadores y contactores estáticos
4.1. Reguladores de voltaje CA
4.2. Reguladores-estabilizadores DC
4.2.1. Estabilizadores paramétricos
4.2.2. Estabilizadores continuos
4.2.3. Reguladores de conmutación
4.2.4. Desarrollo de estructuras reguladoras de conmutación.
4.2.5. Reguladores de CC de tiristor-condensador con transferencia de energía dosificada a la carga
4.2.6. Convertidor-regulador combinado
4.3. Contactores estáticos
4.3.1. Contactores de CA de tiristor
4.3.2. Contactores de CC de tiristor

Capítulo cinco. Sistemas de control de convertidores
5.1. información general
5.2. Diagramas de bloques de sistemas de control para dispositivos convertidores.
5.2.1. Sistemas de control para rectificadores e inversores dependientes.
5.2.2. Sistemas de control de convertidor de frecuencia de acoplamiento directo
5.2.3. Sistemas de control para inversores autónomos.
5.2.4. Sistemas de control para reguladores y estabilizadores.
5.3. Sistemas de microprocesadores en tecnología de convertidores
5.3.1. Estructuras típicas de microprocesadores generalizados.
5.3.2. Ejemplos de uso de sistemas de control por microprocesador.

Capítulo seis. Aplicaciones de los dispositivos electrónicos de potencia.
6.1. Áreas de aplicación racional
6.2. Requisitos técnicos generales
6.3. Protección en modos de emergencia.
6.4. Monitoreo operativo y diagnóstico de condición técnica.
6.5. Garantizar el funcionamiento paralelo de los convertidores
6.6. Interferencia electromagnética
Referencias

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PREFACIO

La electrónica de potencia es un campo prometedor y en constante desarrollo de la ingeniería eléctrica. Los avances en la electrónica de potencia moderna tienen un impacto importante en el ritmo del progreso tecnológico en todas las sociedades industriales avanzadas. En este sentido, es necesario que una amplia gama de trabajadores científicos y técnicos comprendan mejor los fundamentos de la electrónica de potencia moderna.

Actualmente, la electrónica de potencia tiene fundamentos teóricos bastante desarrollados, pero el autor no se propuso presentarlos ni siquiera parcialmente, ya que numerosas monografías y libros de texto están dedicados a estos temas. El contenido de este libro y la metodología para su presentación están destinados principalmente a trabajadores técnicos y de ingeniería que no son especialistas en el campo de la electrónica de potencia, pero que están asociados con el uso y operación de dispositivos y aparatos electrónicos y que desean obtener una comprensión. de los principios básicos de funcionamiento de los dispositivos electrónicos, su circuito y disposiciones generales para su desarrollo y funcionamiento. Además, la mayoría de las secciones del libro también pueden ser utilizadas por estudiantes de diversas instituciones de educación técnica cuando estudian disciplinas cuyo plan de estudios incluye temas de electrónica de potencia.