Силовая электроника

ВВЕДЕНИЕ. 

Силовая электроника (роweг еlесtronics) занимается преобразованием и управлением параметров электрической энергии электронными способами. Используются специальные преобразователи, которые рассчитаны работать с максимальным коэффициентом полезного действия, с наименьшим весом и размерами. 

Современная силовая электроника охватывает преобразование, включение, управление и регулирование электрической энергии при помощи преобразователей, построенных с использованием силовых полупроводников. 

Силовые преобразователи обычно мощные, мощность их достигает до нескольких мегаватт.  Они могут быть и малой мощностью, например, мощность преобразователей постоянного тока, только несколько mW. Определяющим является не только передаваемая мощность, но и преобразование параметров электрической энергии – напряжение, ток, частота,  коэффициент мощности и т. д. – происходит с высоким КПД. Для получения высоких КПД силовые полупроводники в преобразователях работают в ключевом режиме, не в области линейного усиления, как к примеру в усилителях. 

Силовая электроника распространена в нашей ежедневной жизни больше, чем мы думаем.  Сталкиваемся с силовой электроникой когда используем компьютер, говорим по телефону,  едем на машине, сверлим аккумуляторной дрелью, готовим в микроволновой печи, стираем белье в стиральной машине... Силовую электронику применяют еще в блоках питания,  сварочных устройствах, зарядных устройствах аккумуляторов, телекоммуникации,  электротранспорте, электроприводах, устройствах индукционного нагрева и закалки,  ультразвуковых устройствах, регуляторах напряжения, стабилизаторах напряжения,  устройствах гальваники и электролиза, передаче высоковольтного постоянного напряжения,  альтернативной энергетике, спутниках и т. д. 

История силовой техники. 

Днем рождения силовой электроники, как направления науки можно считать 1 июня 1921 года, когда немецкий электротехник F. W. Meyer на 27 конгрессе VDE сформулировал содержание и направления развития силовой электроники. Силовая электроника – молодая область науки, однако развитие ее началось значительно раньше. 

Потребность выпрямления и инвертирования тока появилась, когда в конце 19 века начали применять электрические машины постоянного и переменного тока. Коллектор машины постоянного тока по существу механический вращающий выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный. Первоначально использовали для выпрямления и инвертирования вращающие машинные преобразователи. 

История  статических преобразователей и их элементов начинается тоже в 19 веке, в 1882 году, когда французский физик, академик J. Jasmin (1818-1886) обнаружил свойства ртутной электродуги проводить ток только в одном направлении и предложил это свойство использовать для выпрямления переменного тока взамен механического коммутатора (31). В 1892 году немецкий физик L. Arons (1860-1919) изобрел ртутно-вакуумный вентиль. Первый ртутный вентиль, способный работать, изготовил только в 1901 году американский электротехник Р. Соорег Hewitt (1861-1921). В 1902 году он запатентовал ртутный выпрямитель. 

В 1896 году немецкий электротехник и промышленник CH. Pollak (1859- ..) взял патент на однофазный мостовой выпрямитель с электролитическими вентилями и использовал его в зарядном устройстве аккумуляторов. Потом он изобрел и электролитический преобразователь со средним выводом, который при помощи механической системы управления можкно было использовать, как выпрямитель или инвертор (т. е. первый управляемый преобразователь). В 1903 году немецкий физик Р. Н.Тhomas описал многофазные управляемые ртутные выпрямители, которые были предназначены для сети.

Обозначения

С        конденсатор

D        диод, тиристор

L        индуктивность, катушка

R        резистор

T        транзистор

w        число витков

A        amplification, differential voltage gain

AB        loop gain

B        feedback fraction

C        ёмкость

cosφ        коэффициент мощности

f        частота

G        проводимость

I        ток

K        коэффициент напряжения

L        индуктивность

LR        load regulation

p        оператор Лапласа

P        активная мощность

q        duty cycle

Q        magnification factor

r        ripple factor

R        сопротивление

S        кажущаяся мощность

t        время

T        период, цикл

V        напряжение

W        энергия

X        реактивное сопротивление

Z        импеданс

α        dc alpha, control angle

β        current gain, angle of advance

γ        commutation angle

δ        error, loss

η        к. п.д

φ        угол сдвига фаз

τ        температура

ω        угловая скорость

Abbreviations

A        Ампер

ac        переменный ток

AM        амплитудная модуляция

B2        однофазный мостовой выпрямитель

B6        трёхфазный мостовой выпрямитель

CB        общая база

CC        общий коллектор

CE        общий эмиттер

BJT        биполярный транзистор

dc        постоянный ток

F        Фарад

FET        полевой транзистор

FM        частотная модуляция

G        Гига = 109 (приставка)

GTO        gate turn-off thyristor

H        Генри

Hz        Герц

IC        интегральная схема

IGBT        биполярный транзистор с изолированным затвором

JFET        полевой транзистор с управляемым p-n переходом

k        кило = 103 (приставка )

LDR        фоторезистор

LED        светодиод

LSI        large-scale integration circuit

M        мега= 106 (приставка )

m        милли = 10-3 (приставка)

M1        однофазный  однополупериодный выпрямитель

M2        однофазный выпрямитель со средней точкой

M3        трёхфазный выпрямитель со средней точкой

MOSFET metal-oxide semiconductor FET

MCT        MOS-controlled thyristor

MPP        maximum peak-to-peak

MSI        medium-scale integration circuit

n        нано = 10-9 (приставка)

n        отрицательный

p        пико = 10-12 (приставка)

p        положительный

PWM        широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

rms        root mean square

S        Сименс

s        секунда

SCR        silicon-controlled rectifier

SSI        small-scale integration circuit

V        Вольт

VCO        voltage-controlled oscillator

W        Ватт

VA        ВольтАмпер

μ        микро = 10-6 (приставка)

Ω        Ом

Теоретические Основные принципы.

Преобразователи (Converters - Конвертеры)  используются в отраслях промышленности,  так же как во внутреннем оборудовании. Блоки питания, электрические нагреватели, осветительные системы, предприятия по выработке энергии, и т. д. всё типично для их широкого использования. В зависимости от величины напряжения и мощности,  используются однофазные или  трехфазные преобразователи.

Общий основной фактор - то, что форма электрической энергии преобразуется и корректируется. При этом, важно, что в зависимости от требования, энергия передаётся  от сети питания через преобразователь, или что энергия может быть подана назад в основную сеть.

Следующие формы преобразования сигнала возможны (Фиг. 1):

Рис. 1 Основные типы конвертирования

Повторяющиеся сигналы.

Период (period) T.

Частота (frequency) f = 1 / T.

Европейские кoмпании снабжают синусоидальное напряжение с частотой

f = 50Hz и с  T = 20ms.

Угловая частота

ω = 2πf.

Индуктивное сопротивление (reluctance) и емкостное сопротивление (capacitive reactance) синусоидального напряжения:

XL = ωL = 2πfL

XC = 1 / (ωC) = 1 / (2πfC).

Формы несинусоидального напряжения: Рис. I.3.

a – meander, b – rectangular, c – triangle, d – sawtooth voltage, e – pulsating signal, f – arbitrary signal.

RMS и средние величины.

peak-to-peak = 2 амплитудные величины.

Величина ac, равная dc величине с той же самой мощностью, называется root mean square value, rms или эффективной величиной:

Vrms = √(1 / (2π)⋅∫(V2⋅∂ωt)) = Vmax / √2 = 0,707Vmax

где V – мгновенная величина, Vmax амплитудная величина синусоидальной волны. Европейские кoмпании - Vrms = 220V.

Средняя величина (average value) определяется величиной ac сигнала в течение его положительного полупериода и считывается вольтметром как:

Vd = 1 / (2π)⋅∫(V⋅∂ωt) = Vmax / π = 0,318Vmax.

«Frequency response» и «step response». Рис. I.5 показывает частотную характеристику электронной системы (frequency response). Это график зависисмости коэфициента усиления или выходного напряжения от частоты иснуосидального сигнала.

При низкой и высокой частотах коэфициент усиления или выходное напряжение уменьшаются, в середине диапазона частоты – максимальный выходной сигнал.

Диапазон аудиосигналов от 16 Hz до 20 kHz. Если частоты больше, чем 10 kHz, говорят о радиочастотах (radio frequencies):

10 - 100 kHz – очень низкие радиочастоты - very low radio frequencies (VLF), 100 kHz - 2 MHz – длинные (LF) и средние (AM-radio, MF) радиочастоты (broadcast band), 2 - 30 MHz – короткие радиоволны высокой частоты (radio waves of high frequency) (HF) и видеочастоты, 30 - 300 MHz – метровый теледиапазон (FM-radio, VHF), 300 MHz - 2 GHz – дециметровый (decimeter television and cell phones band), Больше чем 2 GHz – ультравысокие частоты - ultra-high frequencies (UHF).