Главная > Интернет > Основы силовой электроники. Розанов Ю

Основы силовой электроники. Розанов Ю

формат pdf
размер 4.64 МБ
добавлен 24 октября 2008 г.

Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.

Части: 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4

Настоящий учебник предназначен (при двух уровнях глубины изложения материала) для студентов факультетов ФЭН, ЭМФ, не являющихся «специалистами» по силовой электронике, но изучающих курсы различных названий по использованию устройств силовой электроники в электроэнергетических, электромеханических, электротехнических системах. Разделы учебника, выделенные рубленым шрифтом, предназначены (также при двух уровнях глубины изложения) для дополнительного, более глубокого изучения курса, что позволяет использовать его и как учебное пособие для студентов специальности «Промэлектроника» РЭФ, которые готовятся «как специалисты» по силовой электронике. Таким образом, в предлагаемом издании реализован принцип «четыре в одном». Добавленные в отдельные разделы обзоры научно-технической литературы по соответствующим разделам курса позволяют рекомендовать пособие как информационное издание и для магистрантов и аспирантов.

Предисловие.
Научно-технические и методические основы исследования устройств силовой электроники.
Методология системного подхода к анализу устройств силовой электроники.
Энергетические показатели качества преобразования энергии в вентильных преобразователях.
Энергетические показатели качества электромагнитных процессов.
Энергетические показатели качества использования элементов устройства и устройства в целом.
Элементная база вентильных преобразователей.
Силовые полупроводниковые приборы.
Вентили с неполным управлением.
Вентили с полным управлением.
Запираемые тиристоры, транзисторы.
Трансформаторы и реакторы.
Конденсаторы.
Виды преобразователей электрической энергии.
Методы расчета энергетических показателей.
Математические модели вентильных преобразователей.
Методы расчета энергетических показателей преобразователей.
Интегральный метод.
Спектральный метод.
Прямой метод.
Метод Аду.
Метод Аду.
Метод Аду(1).
Методы АдуМ1, Адум2, Адум(1).
Теория проеобразования переменного тока в постоянный при идеальных параметрах преобразователя.
Выпрямитель как система. Основные определения и обозначения.
Механизм преобразования переменного тока в выпрямленный в базовой ячейке Дт/От.
Двухфазный выпрямитель однофазного тока (m1 = 1, m2 = 2, q = 1).
Выпрямитель однофазного тока по мостовой схеме (m1 = m2 = 1, q = 2).
Выпрямитель трехфазного тока со схемой соединения обмоток транс.
форматора треугольник - звезда с нулевым выводом (m1 =m2 = 3, q = 1).
Выпрямитель трехфазного тока со схемой соединения обмоток транс форматора звезда - зигзаг с нулем (m1 = m2 = 3, q = 1).
Шестифазный выпрямитель трехфазного тока с соединением вторичных обмоток трансформатора звезда - обратная звезда с уравнительным реактором (m1 = 3, m2 = 2 х 3, q = 1).
Выпрямитель трехфазного тока по мостовой схеме (m1=m2=3, q=2).
Управляемые выпрямители. Регулировочная характеристика теория преобразования переменного тока в постоянный (с рекуперацией) с учетом реальных параметров элементов преобразователя.
Процесс коммутации в управляемом выпрямителе с реальным трансформатором. Внешняя характеристика.
Теория работы выпрямителя на противоЭдс при конечном значении индуктивности Ld.
Режим прерывистого тока (? 2?/qm2).
Режим предельно-непрерывного тока (? = 2?/qm2).
Режим непрерывного тока (? 2?/qm2).
Работа выпрямителя с конденсаторным сглаживающим фильтром.
Обращение направления потока активной мощности в вентильном преобразователе с противоЭДС в звене постоянного тока - режим зависимого инвертирования.
Зависимый инвертор однофазного тока (m1=1, m2=2, q=1).
Зависимый инвертор трехфазного тока (m1=3, m2=3, q=1).
Общая зависимость первичного тока выпрямителя от анодного и вы прямленного токов (закон Чернышева).
Спектры первичных токов трансформаторов выпрямителей и зависимых инверторов.
Спектры выпрямленного и инвертируемого напряжений вентильного преобразователя.
Оптимизация числа вторичных фаз трансформатора выпрямителя. Эквивалентные многофазные схемы выпрямления.
Влияние коммутации на действующие значения токов трансформатора и его типовую мощность.
КПД и коэффициент мощности вентильного преобразователя в режим выпрямления и зависимого инвертирования.
Коэффициент полезного действия.
Коэффициент мощности.
Выпрямители на полностью управляемых вентилях.
Выпрямитель с опережающим фазовым регулированием.
Выпрямитель с широтно-импульсным регулированием выпрямленного напряжения.
Выпрямитель с принудительным формированием кривой тока, потребляемого из питающей сети.
Реверсивный вентильный преобразователь (реверсивный выпрямитель).
Электромагнитная совместимость вентильного преобразователя с питающей сетью.
Модельный пример электрического проектирования выпрямителя.
Выбор схемы выпрямителя (этап структурного синтеза).
Расчет параметров элементов схемы управляемого выпрямителя (этап параметрического синтеза).
Заключение.
Литература.
Предметный указатель.

Смотрите также

формат djvu
размер 1.39 МБ
добавлен 20 апреля 2011 г.

Новосибирск: НГТУ, 1999. - 204 с. Настоящий учебник предназначен (при двух уровнях глубины изложения материала) для студентов факультетов ФЭН, ЭМФ, не являющихся «специалистами» по силовой электронике, но изучающих курсы различных названий по использованию устройств силовой электроники в электроэнергетических, электромеханических, электротехнических системах. Разделы учебника, выделенные рубленым шрифтом, предназначены (также при двух уровнях глу...

Зиновев Г.С. Основы силовой электроники. Часть 1

формат pdf
размер 1.22 МБ
добавлен 11 октября 2010 г.

Новосибирск: НГТУ, 1999. Настоящий учебник предназначен (при двух уровнях глубины изложения материала) для студентов факультетов ФЭН, ЭМФ, не являющихся «специалистами» по силовой электронике, но изучающих курсы различных названий по использованию устройств силовой электроники в электроэнергетических, электромеханических, электротехнических системах. Разделы учебника, выделенные рубленым шрифтом, предназначены (также при двух уровнях глубины изло...

Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники (1/2)

формат pdf
размер 1.75 МБ
добавлен 19 июня 2007 г.

Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, Часть первая. 1999. – 199 с. Настоящий учебник предназначен (при двух уровнях глубины изложения материала) для студентов факультетов ФЭН, ЭМФ, не являющихся «специалистами» по силовой электронике, но изучающих курсы различных названий по использованию устройств силовой электроники в электроэнергетических, электромеханических, электротехнических системах. Разделы учебника, выделенные рубленым шрифтом, предназн...

Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Том 2,3,4

формат pdf
размер 2.21 МБ
добавлен 18 ноября 2009 г.

Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, Части вторая, третья и четвертая. 2000. – 197 с. Вторая часть учебника, являясь продолжением первой части, изданной в 1999 г. , посвящена изложению базовых схем преобразователей постоянного напряжения в по- стоянное, постоянного – в переменное (автономные инверторы), переменного напряже- ния в переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты. Материал также структурирован в соответствии с принципом «...

Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Том 5

формат pdf
размер 763.08 КБ
добавлен 18 мая 2009 г.

Учебник. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, Часть пятая. 2000. – 197 с. Вторая часть учебника, являясь продолжением первой части, изданной в 1999 г. , посвящена изложению базовых схем преобразователей постоянного напряжения в по- стоянное, постоянного – в переменное (автономные инверторы), переменного напряже- ния в переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты. Материал также структурирован в соответствии с принципом «четыре в одном» по че...

Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. Часть 2

формат djvu
размер 3.62 МБ
добавлен 20 апреля 2011 г.

Новосибирск: НГТУ, 2000. Настоящий учебник является второй частью из трех запланированных по курсу «Основы силовой электроники». К первой части учебника примыкает методическое руководство к лабораторным работам, реализованным с помощью кафедрального пакета программ моделирования устройств силовой электроники PARUS-PARAGRAPH. Материал второй части учебника поддерживается компьютеризированными курсами лабораторных работ.

Рецензент доктор технических наук Ф. И. Ковалев

Излагаются принципы преобразования электрической энергии: выпрямления, инвертирования, преобразования частоты и др. Описаны основные схемы преобразовательных устройств, способы управления ими и регулирования основных параметров, показаны области рационального использования различных типов преобразователей. Рассмотрены особенности конструирования и эксплуатации.

Для инженеров и техников по разработке и эксплуатации электрических систем, содержащих преобразовательные устройства, а также занятых испытанием и обслуживанием преобразовательной техники.

Розанов Ю. К. Основы силовой электроники . - Москва, издательство Энергоатомиздат, 1992.- 296 с.

Предисловие
Введение

Глава первая. Основные элементы силовой электроники
1.1. Силовые полупроводниковые приборы
1.1.1. Силовые диоды
1.1.2. Силовые транзисторы
1.1.3. Тиристоры
1.1.4. Применение силовых полупроводниковых приборов
1.2. Трансформаторы и реакторы
1.3. Конденсаторы

Глава вторая. Выпрямители
2.1. Общие сведения
2.2. Основные схемы выпрямления
2.2.1. Однофазная двухполупериодная схема со средней точкой
2.2.2. Однофазная мостовая схема
2.2.3. Трехфазная схема со средней точкой
2.2.4. Трехфазная мостовая схема
2.2.5. Многомостовые схемы
2.2.6. Гармонический состав выпрямленного напряжения и первичных токов в схемах выпрямления
2.3. Коммутация и режимы работы выпрямителей
2.3.1. Коммутация токов в схемах выпрямления
2.3.2. Внешние характеристики выпрямителей
2.4. Энергетические характеристики выпрямителей и способы их улучшения
2.4.1. Коэффициент мощности и КПД выпрямителей
2.4.2. Улучшение коэффициента мощности управляемых выпрямителей
2.5. Особенности работы выпрямителей на емкостную нагрузку и противо-ЭДС
2.6. Сглаживающие фильтры
2.7. Работа выпрямителя от источника соизмеримой мощности

Глава третья. Инверторы и преобразователи частоты
3.1. Инверторы, ведомые сетью
3.1.1. Однофазный инвертор со средней точкой
3.1.2. Трехфазный мостовой инвертор
3.1.3. Баланс мощностей в инверторе, ведомом сетью
3.1.4. Основные характеристики и режимы работы инверторов, ведомых сетью
3.2. Автономные инверторы
3.2.1. Инверторы тока
3.2.2. Инверторы напряжения
3.2.3. Инверторы напряжения на тиристорах
3.2.4. Резонансные инверторы
3.3. Преобразователи частоты
3.3.1. Преобразователи частоты с промежуточным звеном постоянного тока
3.3.2. Преобразователи частоты с непосредственной связью
3.4. Регулирование выходного напряжения автономных инверторов
3.4.1. Общие принципы регулирования
3.4.2. Регулирующие устройства инверторов тока
3.4.3. Регулирование выходного напряжения посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
3.4.4. Геометрическое сложение напряжений
3.5. Способы улучшения формы выходного напряжения инверторов и преобразователей частоты
3.5.1. Влияние несинусоидальности напряжения на потребителей электроэнергии
3.5.2. Выходные фильтры инверторов
3.5.3. Уменьшение высших гармоник в выходном напряжении без применения фильтров

Глава четвертая. Регуляторы-стабилизаторы и статические контакторы
4.1. Регуляторы-стабилизаторы переменного напряжения
4.2. Регуляторы-стабилизаторы постоянного тока
4.2.1. Параметрические стабилизаторы
4.2.2. Стабилизаторы непрерывного действия
4.2.3. Импульсные регуляторы
4.2.4. Развитие структур импульсных регуляторов
4.2.5. Тиристорно-конденсаторные регуляторы постоянного тока с дозированной передачей энергии в нагрузку
4.2.6. Комбинированные преобразователи-регуляторы
4.3. Статические контакторы
4.3.1. Тиристориые контакторы переменного тока
4.3.2. Тиристорные контакторы постоянного тока

Глава пятая. Системы управлении преобразовательными устройствами
5.1. Общие сведения
5.2. Структурные схемы систем управления преобразовательных устройств
5.2.1. Системы управления выпрямителей и зависимых инверторов
5.2.2. Системы управления преобразователей частоты с непосредственной связью
5.2.3. Системы управления автономных инверторов
5.2.4. Системы управления регуляторов-стабилизаторов
5.3. Микропроцессорные системы в преобразовательно» технике
5.3.1. Типовые обобщенные структуры микропроцессора
5.3.2. Примеры использования микропроцессорных систем управления

Глава шестая. Применение силовых электронных устройств
6.1. Области рационального применения
6.2. Общие технические требования
6.3. Защита в аварийных режимах
6.4. Эксплуатационный контроль и диагностика технического состояния
6.5. Обеспечение параллельной работы преобразователей
6.6. Электромагнитные помехи
Список литературы

Список литературы
1. ГОСТ 20859.1-89 (СТ СЭВ 1135-88). Приборы полупроводниковые силовые единой унифицированной серии. Общие технические условия.

2. Чебовский О. Г., Моисеев Л. Г., Недошивин Р. П. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник. -2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985.

3 Iravis В. Discrete power semiconductors //EDN. 1984. Vol. 29, N 18. P. 106-127.

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

5 Chen D. Semiconductors: fast, tough and compact // IEEE Spectrum. 1987. Vol. 24, N 9. P. 30-35.

6. Силовые полупроводниковые модули за рубежом / В. Б. Зильберштейн, С. В. Машин, В. А. Потапчук и др. // Электротехническая промышленность. Сер. 05. Силовая преобразовательная техника. 1988. Вып. 18. С. 1-44.

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

8. Русин Ю. С, Горский А. Н., Розанов Ю. К. Исследование зависимости объемов электромагнитных элементов от частоты // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1983. № 10. С. 3-6.

9. Электрические конденсаторы и конденсаторные установки: Справочник / В. П. Берзан, Б. Ю. Геликман, М. Н. Гураевскнй н др. Под ред. Г. С. Кучинского. М.: Энергоатомиздат, 1987.

10. Полупроводниковые выпрямители / Под ред. Ф.И.Ковалева и Г. П. Мостковой. М.: Энергия, 1978.

11. Circuit configuration of the GTO converter for superconducting magnetic energy storage / Toshifumi JSE, James J. Skiles, Kohert L., K. V. Stom, J. Wang//IEEE 19th Power Electronics Specialists Conference (PESC"88), Kyoto, Japan, April 11 - 14, 1988. P. 108-115.

12. Розанов Ю. К. Основы силовой преобразовательной техники. М.: Энергия, 1979.

13. Чиженко И. М., Руденко В. С, Сеиько В. И. Основы преобразовательной техники. М.: Высшая школа, 1974.

14. Иванов В. А. Динамика автономных инверторов с прямой коммутацией. М.: Энергия, 1979.

15. Ковалев Ф. И., Мустафа Г. М., Барегемян Г. В. Управление по вычисляемому прогнозу импульсным преобразователем с синусоидальным выходным напряжением // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1981. №6(34).С. 10-14.

16. Middelbrook R. D. Isolation and multiple output extensions of a new optimum topology switching DC - tV - DC converter//IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC"78), 1978. P. 256-264.

17. Булатов О. Г., Царенко А. И. Тиристорно-конденсаторные преобразователи. М. Энергоиздат, 1982.

18. Розинов Ю. К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. М.: Энергоатомиздат, 1987.

19. Калабеков А. А. Микропроцессоры н их применение в системах передачи и обработки сигналов. М.: Радио и связь, 1988.

20. Строганов Р. П. Управляющие машины и их применение. М.: Высшая школа, 1986.

21. Обухов СТ., Рамизевич Т. В. Применение микро-ЭВМ для управления вентильными преобразователями // Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1983. Вып. 3(151). С. 9

22. Управление вентильными преобразователями на базе микропроцессоров / Ю. М. Быков, И. Т. Пар, Л. Я. Раскин, Л. П. Деткин// Электротехническая промышленность. Преобразовательная техника. 1985. Вып. 10. С. 117.

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

24. Булатов О. Г., Иванов В. С, Панфилов Д. И. Полупроводниковые зарядные устройства емкостных накопителей энергии. М.: Радио и связь, 1986.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Силовая электроника является постоянно развивающейся и перспективной областью электротехники. Достижения современной силовой электроники оказывают большое влияние на темпы технического прогресса во всех развитых индустриальных обществах. В этой связи возникает необходимость для широкого круга научно-технических работников в более ясном понимании основ современной силовой электроники.

Силовая электроника имеет в настоящее время достаточно глубоко разработанные теоретические основы, однако автор не ставил перед собой задачи даже частичного их изложения, поскольку этим вопросам посвящены многочисленные монографии и учебники. Содержание настоящей книги и методика его изложения рассчитаны в первую очередь на инженерно-технических работников, не являющихся специалистами в области силовой электроники, но связанных с применением и эксплуатацией электронных устройств и аппаратов и желающих получить представление об основных принципах работы электронных устройств, их схемотехнике и общих положениях по разработке и эксплуатации. Кроме того, большинство разделов книги может быть также использовано учащимися различных технических учебных заведений при изучении дисциплины, в программу которых входят вопросы силовой электроники.

Силовой электроникой называют область науки и техники, которая решает проблему создания силовых электронных приборов, а также проблемы получения значительной электрической энергии, управления мощными электрическими процессами и преобразования электрической энергии в достаточно большую энергию другого вида при использовании в качестве основного инструмента этих приборов.

Ниже рассматриваются устройства силовой электроники на основе полупроводниковых приборов. Именно эти приборы используются наиболее широко.

Для получения электрической энергии уже длительное время используются рассмотренные выше солнечные элементы. В настоящее время доля этой энергии в общем объеме электроэнергии невелика. Однако многие ученые, к которым относится и лауреат Нобелевской премии академик Ж.И. Алферов, считают солнечные элементы очень перспективными источниками электрической энергии, не нарушающими энергетический баланс на Земле.

Управление мощными электрическими процессами является именно той проблемой, при решении которой силовые полупроводниковые приборы уже очень широко используются, а интенсивность их применения быстро возрастает. Это объясняется достоинствами силовых полупроводниковых приборов, основными из которых являются высокое быстродействие, малое падение в открытом состоянии и малый в закрытом состоянии (что обеспечивает малые потери мощности), высокая надежность, значительная нагрузочная способность по току и напряжению, малые размеры и вес, простота в управлении, органическое единство с полупроводниковыми устройствами информативной электроники, что облегчает объединение сильноточных и слаботочных элементов.

Во многих странах развернуты интенсивные научно-исследовательские работы по силовой электронике и благодаря этому силовые полупроводниковые приборы, а также электронные устройства на их основе постоянно совершенствуются. Это обеспечивает быстрое расширение области применения силовой электроники, что, в свою очередь, стимулирует научные исследования. Здесь можно говорить о положительной обратной связи в масштабах целой области человеческой деятельности. Результатом является стремительное проникновение силовой электроники в самые различные области техники.

Особенно быстрое распространение устройств силовой электроники началось после создания силовых полевых транзисторов и IGBT.

Этому предшествовал достаточно длительный период, когда основным силовым полупроводниковым прибором был незапираемый тиристор, созданный в 50е годы прошлого столетия. Незапираемые тиристоры сыграли выдающуюся роль в развитии силовой электроники и широко используются в наше время. Но невозможность выключения с помощью импульсов управления часто затрудняет их применение. Десятилетия разработчикам силовых устройств приходилось смиряться с этим недостатком, используя в ряде случаев довольно сложные узлы силовых схем для выключения тиристоров.

Широкое распространение тиристоров обусловило популярность возникшего в то время термина «тиристорная техника», который использовали в том же смысле, что и термин «силовая электроника».

Разработанные в указанный период силовые биполярные транзисторы нашли свою область применения, но радикально ситуацию в силовой электронике не изменили.

Только с появлением силовых полевых транзисторов и 10 ВТ в руках инженеров оказались полностью управляемые электронные ключи, приближающиеся по своим свойствам к идеальным. Это резко облегчило решение самых различных задач по управлению мощными электрическими процессами. Наличие достаточно совершенных электронных ключей дает возможность не только мгновенно подключать нагрузку к источнику постоянного или переменного и отключать ее, но и формировать для нее очень большие сигналы тока или практически любой требуемой формы.

Наиболее распространенными типовыми устройствами силовой электроники являются:

бесконтактные переключающие устройства переменного и постоянного тока (прерыватели), предназначенные для включения или выключения нагрузки в цепи переменного или постоянного тока и, иногда, для регулирования мощности нагрузки;

выпрямители , преобразующие переменное в одной полярности (однонаправленное);

инверторы , преобразующие постоянное в переменное;

преобразователи частоты , преобразующие переменное одной частоты в переменное другой частоты;

преобразователи постоянного (конверторы), преобразующие постоянное одной величины в постоянное другой величины;

преобразователи числа фаз , преобразующие переменное с одним числом фаз в переменное с другим числом фаз (обычно однофазное преобразуется в трехфазное или трехфазное - в однофазное);

компенсаторы (корректоры коэффициента мощности), предназначенные для компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного и для компенсации искажений формы тока и напряжения.

По существу устройства силовой электроники выполняют преобразование мощных электрических сигналов. Поэтому силовую электронику называют также преобразовательной техникой.

Устройства силовой электроники, как типовые, так и специализированные, используются во всех областях техники и практически в любом достаточно сложном научном оборудовании.

В качестве иллюстрации укажем некоторые объекты, в которых устройства силовой электроники выполняют важные функции:

Электропривод (регулирование скорости и момента вращения и др.);

Установки для электролиза (цветная металлургия, химическая промышленность);

Электрооборудование для передачи электроэнергии на большие расстояния на постоянном токе;

Электрометаллургическое оборудование (электромагнитное перемешивание металла и др.);

Электротермические установки (индукционный нагрев и др.);

Электрооборудование для зарядки аккумуляторов;

Компьютеры;

Электрооборудование автомобилей и тракторов;

Электрооборудование самолетов и космических аппаратов;

Устройства радиосвязи;

Оборудование для телевещания;

Устройства для электроосвещения (питание люминесцентных ламп и др.);

Медицинское электрооборудование (ультразвуковая терапия и хирургия и др.);

Электроинструмент;

Устройства бытовой электроники.

Развитие силовой электроники изменяет и сами подходы к решению технических задач. К примеру, создание силовых полевых транзисторов и IGBT существенно способствует расширению области применения индукторных двигателей, которые в ряде областей вытесняют коллекторные двигатели.

Существенным фактором, благотворно влияющим на распространение устройств силовой электроники, являются успехи информативной электроники и, в частности, микропроцессорной техники. Для управления мощными электрическими процессами используются все более сложные алгоритмы, которые могут быть рационально реализованы только при применении достаточно совершенных устройств информативной электроники.

Эффективное совместное использование достижений силовой и информативной электроники дает действительно выдающиеся результаты.

Существующие устройства для преобразования электрической энергии в энергию другого вида при непосредственном использовании полупроводниковых приборов еще не имеют большой выходной мощности. Однако и здесь получены обнадеживающие результаты.

Полупроводниковые лазеры превращают электрическую энергию в энергию когерентного излучения в ультрафиолетовом, видимом и в инфракрасном диапазонах. Эти лазеры были предложены в 1959 г., а впервые реализованы на основе арсенида галлия (GaAs) в 1962 г. Лазеры на основе полупроводников отличаются высоким коэффициентом полезного действия (выше 10 %) и большим сроком службы. Их применяют, к примеру, в инфракрасных прожекторах.

Сверхъяркие светодиоды белого свечения, появившиеся в 90х годах прошлого века, уже используются в ряде случаев для освещения вместо ламп накаливания. Светодиоды существенно более экономичны и имеют значительно больший срок службы. Предполагается, что область применения светодиодных светильников будет быстро расширяться.

В этой статье поговорим о силовой электронике. Что такое силовая электроника, на чем она базируется, какие дает преимущества, и каковы ее перспективы? Остановимся на составных частях силовой электроники, рассмотрим кратко, какие они бывают, чем отличаются между собой, и для каких применений удобны те или иные типы полупроводниковых ключей. Приведем примеры приборов силовой электроники, применяемой в повседневной жизни, на производстве и в быту.

За последние годы устройства силовой электроники позволили совершить серьезный технологический рывок в энергосбережении. Силовые полупроводниковые приборы, благодаря их гибкой управляемости, позволяют эффективно преобразовывать электроэнергию. Массогабаритные показатели и КПД, достигнутые сегодня, уже вывели преобразовательные устройства на качественно новый уровень.

Во многих отраслях применяются устройства плавного пуска, регуляторы скорости, источники бесперебойного питания, работающие на современной полупроводниковой базе, и показывающие высокую эффективность. Все это силовая электроника.

Управление потоками электрической энергии в силовой электронике осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, которые заменяют собой механические коммутаторы, и управление которыми можно осуществлять по требуемому алгоритму с целью получить нужную среднюю мощность и точное действие рабочего органа того или иного оборудования.

Так, силовая электроника применяется на транспорте, в добывающей отрасли, в сфере связи, на многих производствах, да и ни один мощный бытовой прибор не обходится сегодня без входящих в его конструкцию силовых электронных блоков.

Главными кирпичиками силовой электроники являются именно полупроводниковые ключевые компоненты, способные с разной скоростью, вплоть до мегагерц, размыкать и замыкать цепь. Во включенном состоянии сопротивление ключа составляет единицы и доли ома, а в выключенном - мегаомы.

Управление ключом не требует много мощности, а потери на ключе, возникающие в процессе коммутации, при грамотно спроектированном драйвере, не превышают одного процента. По этой причине КПД силовой электроники оказывается высоким по сравнению со сдающими свои позиции железными трансформаторами и механическими коммутаторами типа обычных реле.

Силовыми электронными приборами называются приборы, в которых действующий ток больше или равен 10 амперам. При этом в качестве ключевых полупроводниковых элементов могут быть: биполярные транзисторы, полевые транзисторы, IGBT-транзисторы, тиристоры, симисторы, запираемые тиристоры, и запираемые тиристоры с интегрированным управлением.

Малая мощность управления позволяет создавать и силовые микросхемы, в которых сочетаются сразу несколько блоков: сам ключ, схема управления и схема контроля, - это так называемые интеллектуальные схемы.

Эти электронные кирпичики применяются как в мощных промышленных установках, так и в бытовых электроприборах. Индукционная печь на пару мегаватт или домашний отпариватель на пару киловатт - и в том и в другом есть полупроводниковые силовые ключи, просто оперирующие с разной мощностью.

Так, силовые тиристоры работают в преобразователях мощностью более 1 МВА, в цепях электроприводов постоянного тока и высоковольтных приводов переменного тока, используются в установках компенсации реактивной мощности, в установках индукционной плавки.

Запираемые тиристоры управляются более гибко, они служат для управления компрессорами, вентиляторами, насосами мощностью в сотни КВА, а потенциально возможная мощность коммутации превышает 3 МВА. позволяют реализовывать преобразователи мощностью до единиц МВА различного назначения, как для управления двигателями, так и для обеспечения бесперебойного питания и коммутации больших токов во многих статических установках.

Полевые MOSFET-транзисторы отличаются превосходной управляемостью на частотах в сотни килогерц, что значительно расширяет сферу их применяемости в сравнении с IGBT-транзисторами.

Для пуска и управления двигателями переменного тока оптимальны симисторы, они способны работать на частотах до 50 кГц, а для управления требуют меньше энергии, чем IGBT-транзисторам.

Сегодня IGBT-транзисторы по максимальному коммутируемому напряжению достигают 3500 вольт, а потенциально возможно 7000 вольт. Эти компоненты могут вытеснить биполярные транзисторы уже в ближайшие годы, и на оборудовании до единиц МВА будут применяться именно они. Для маломощных преобразователей более приемлемыми останутся MOSFET-транзисторы, а для более 3 МВА - запираемые тиристоры.

По прогнозам аналитиков, большая часть силовых полупроводников в будущем будет иметь модульное исполнение, когда в одном корпусе располагается от двух до шести ключевых элементов. Применение модулей позволяет снизить массу, уменьшить габариты и себестоимость оборудования, в котором они будут применяться.

Для IGBT-транзисторов прогрессом будет увеличение токов до 2 кА при напряжении до 3,5 кВ и рост рабочих частот до 70 кГц с упрощением схем управления. В одном модуле смогут содержаться не только ключи и выпрямитель, но и драйвер, и схемы активной защиты.

Выпускаемые в последние годы транзисторы, диоды, тиристоры, уже значительно улучшили свои параметры, такие как ток, напряжение, быстродействие, и прогресс не стоит на месте.

Для более качественного преобразования переменного тока в постоянный применяют управляемые выпрямители, позволяющие плавно изменять выпрямленное напряжение в диапазоне от нуля до номинального.

Сегодня в системах возбуждения электроприводов постоянного тока у синхронных двигателей служат главным образом тиристоры. Сдвоенные тиристоры - симисторы, имеют всего один управляющий электрод для двух соединенных встречно-параллельно тиристоров, что делает управление еще более простым.

Для осуществления обратного процесса, преобразования постоянного напряжения в переменное применяют . Независимые инверторы на полупроводниковых ключах дают на выходе частоту, форму и амплитуду, определяемою электронной схемой, а не сетью. Инверторы изготавливают на базе различных типов ключевых элементов, но для высоких мощностей, более 1МВА, опять же на первое место выходят инверторы на IGBT-транзисторах.

В отличие от тиристоров, IGBT-транзисторы дают возможность более широко и более точно формировать ток и напряжение на выходе. Маломощные автомобильные инверторы используют в своей работе полевые транзисторы, которые при мощностях до 3 кВт прекрасно справляются со своей задачей, преобразовывая постоянный ток аккумулятора с напряжением 12 вольт сначала в постоянное, посредством высокочастотного импульсного преобразователя, работающего на частоте от 50кГц до сотен килогерц, затем - в переменное 50 или 60 Гц.

Для перевода тока одной частоты в ток другой частоты применяют . Раньше это делалось исключительно на базе тиристоров, которые обладали не полной управляемостью, приходилось проектировать сложные схемы принудительного запирания тиристоров.

Использование ключей типа полевых MOSFET и IGBT-транзисторов облегчает проектирование и реализацию преобразователей частоты, и можно прогнозировать, что в перспективе от тиристоров, особенно в приборах малой мощности, откажутся в пользу транзисторов.

Для реверсирования электроприводов по прежнему применяются тиристоры, достаточно иметь два комплекта тиристорных преобразователей для обеспечения двух разных направлений тока без необходимости переключений. Так работают современные бесконтактные реверсивные пускатели.

Надеемся, что наша краткая статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, что такое силовая электроника, какие элементы силовой электроники применяются в силовых электронных приборах, и как велик потенциал силовой электроники для нашего будущего.

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

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

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

Введение

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

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

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

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

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