Kaj je močnostna elektronika

V tem članku bomo govorili o močnostni elektroniki. Kaj je močnostna elektronika, na čem temelji, kakšne so prednosti in kakšne so njene perspektive? Oglejmo si komponente močnostne elektronike, na kratko razmislimo, kaj so, kako se med seboj razlikujejo in za katere aplikacije so primerne te ali tiste vrste polprevodniških stikal. Tukaj so primeri naprav močnostne elektronike, ki se uporabljajo v vsakdanjem življenju, v proizvodnji in vsakdanjem življenju.

V zadnjih letih so naprave močnostne elektronike naredile velik tehnološki preboj na področju varčevanja z energijo. Močnostne polprevodniške naprave zaradi svoje prilagodljive vodljivosti omogočajo učinkovito pretvorbo električne energije. Današnje meritve teže in velikosti ter učinkovitosti so že pripeljale pretvornike na kakovostno novo raven.

Številne industrije uporabljajo mehke zaganjalnike, regulatorje hitrosti, neprekinjene napajalnike, ki delujejo na osnovi sodobnih polprevodnikov in kažejo visoko učinkovitost. Vse je močnostna elektronika.

Krmiljenje pretoka električne energije v močnostni elektroniki se izvaja s pomočjo polprevodniških stikal, ki nadomeščajo mehanska stikala in jih je mogoče krmiliti po potrebnem algoritmu za pridobitev zahtevane povprečne moči in natančnega delovanja delovnega telesa tega ali onega. opremo.

Tako se močnostna elektronika uporablja v prometu, v rudarstvu, na področju komunikacij, v številnih panogah in danes noben močan gospodinjski aparat ne more brez močnostnih elektronskih enot, vključenih v njegovo zasnovo.

Osnovni gradniki močnostne elektronike so prav polprevodniške ključne komponente, ki lahko odpirajo in zapirajo vezje z različnimi hitrostmi, do megahercev. V vklopljenem stanju je upornost stikala enote in deli ohmov, v izklopljenem stanju pa megohmi.

Upravljanje ključev ne zahteva veliko moči, izgube na ključu, ki nastanejo med preklopom, z dobro zasnovanim gonilnikom ne presegajo enega odstotka. Iz tega razloga je učinkovitost močnostne elektronike visoka v primerjavi z izgubnimi položaji železnih transformatorjev in mehanskih stikal, kot so običajni releji.

Močnostne elektronske naprave so naprave, katerih efektivni tok je večji ali enak 10 amperov. V tem primeru so lahko ključni polprevodniški elementi: bipolarni tranzistorji, poljski tranzistorji, IGBT tranzistorji, tiristorji, triaki, zaklepni tiristorji in zaklepni tiristorji z integriranim krmiljenjem.

Nizka krmilna moč vam omogoča tudi ustvarjanje močnostnih mikrovezij, v katerih je združenih več blokov hkrati: samo stikalo, krmilno vezje in krmilno vezje, to so tako imenovana pametna vezja.

Ti elektronski gradniki se uporabljajo tako v industrijskih inštalacijah visoke moči kot v gospodinjskih električnih napravah. Indukcijska pečica za nekaj megavatov ali domači parnik za nekaj kilovatov – oba imata polprevodniška stikala, ki preprosto delujejo z različnimi močmi.

Tako močnostni tiristorji delujejo v pretvornikih z zmogljivostjo več kot 1 MVA, v tokokrogih električnih pogonov z enosmernim in izmeničnim tokom z visoko napetostjo, uporabljajo se v napravah za kompenzacijo jalove moči, v napravah za indukcijsko taljenje.

Zaklepni tiristorji so krmiljeni bolj fleksibilno, uporabljajo se za krmiljenje kompresorjev, ventilatorjev, črpalk z zmogljivostjo več sto kVA, potencialna preklopna moč pa presega 3 MVA. IGBT tranzistorji omogočajo uvedbo pretvornikov z zmogljivostjo do enot MVA za različne namene, tako za krmiljenje motorjev kot za zagotavljanje neprekinjenega napajanja in preklapljanje velikih tokov v številnih statičnih inštalacijah.

MOSFET-ji imajo odlično vodljivost pri frekvencah več sto kilohercev, kar močno razširi njihov obseg uporabnosti v primerjavi z IGBT-ji.

Triaki so optimalni za zagon in krmiljenje AC motorjev, lahko delujejo pri frekvencah do 50 kHz in zahtevajo manj energije za krmiljenje kot tranzistorji IGBT.

Danes imajo IGBT največjo preklopno napetost 3500 voltov in potencialno 7000 voltov.Te komponente lahko v prihodnjih letih nadomestijo bipolarne tranzistorje in se bodo uporabljale na opremi do enot MVA. Za pretvornike z nizko porabo bodo MOSFET-ji ostali bolj sprejemljivi, za več kot 3 MVA - tiristorji z zaklepanjem.

Po napovedih analitikov bo večina polprevodnikov v prihodnosti imela modularno zasnovo, kjer se v enem paketu nahaja od dva do šest ključnih elementov. Uporaba modulov vam omogoča zmanjšanje teže, velikosti in stroškov opreme, v kateri bodo uporabljeni.

Pri tranzistorjih IGBT bo napredek povečanje tokov do 2 kA pri napetostih do 3,5 kV in povečanje delovnih frekvenc do 70 kHz s poenostavljenimi krmilnimi shemami. Modul lahko vsebuje ne samo stikala in usmernik, ampak tudi gonilnik in aktivna zaščitna vezja.

Tranzistorji, diode, tiristorji, izdelani v zadnjih letih, so že bistveno izboljšali svoje parametre, kot so tok, napetost, hitrost, in napredek ne miruje.

Za boljšo pretvorbo izmeničnega toka v enosmerni se uporabljajo krmiljeni usmerniki, ki omogočajo gladko spreminjanje usmerjene napetosti v območju od nič do nazivne.

Danes se v vzbujevalnih sistemih enosmernega električnega pogona tiristorji uporabljajo predvsem v sinhronskih motorjih. Dvojni tiristorji - triaki - imajo samo eno zaporno elektrodo za dva protiparalelno povezana tiristorja, kar še olajša krmiljenje.

Za izvedbo obratnega procesa se uporablja pretvorba enosmerne napetosti v izmenično napetost pretvorniki… Neodvisni polprevodniški stikalni pretvorniki dajejo izhodno frekvenco, obliko in amplitudo, ki jih določa elektronsko vezje, ne omrežje. Razsmerniki so izdelani na osnovi različnih tipov ključnih elementov, vendar pri velikih močeh, več kot 1 MVA, spet pridejo na vrsto IGBT tranzistorski razsmerniki.

Za razliko od tiristorjev IGBT zagotavljajo širše in natančnejše oblikovanje izhodnega toka in napetosti. Avtomobilski pretvorniki nizke moči pri svojem delu uporabljajo poljske tranzistorje, ki pri močeh do 3 kW odlično pretvarjajo enosmerni tok 12-voltne baterije najprej v enosmerni tok preko visokofrekvenčnega impulznega pretvornika, ki deluje pri frekvenci od 50 kHz do sto kilohercev, nato v izmeničnem 50 ali 60 Hz.

Za pretvorbo toka ene frekvence v tok druge frekvence uporabite polprevodniški frekvenčni pretvorniki… Prej je bilo to storjeno izključno na osnovi tiristorjev, ki niso imeli popolne nadzorljivosti; bilo je potrebno razviti kompleksne sheme za prisilno zaklepanje tiristorjev.

Uporaba stikal, kot so poljski MOSFET-ji in IGBT-ji, olajša načrtovanje in izvedbo frekvenčnih pretvornikov, predvidevamo pa lahko, da se bodo tiristorji, zlasti v napravah z majhno močjo, v prihodnosti opustili v korist tranzistorjev.

Tiristorji se še vedno uporabljajo za obračanje električnih pogonov; dovolj je, da imamo dva sklopa tiristorskih pretvornikov, da zagotovimo dve različni smeri toka brez potrebe po preklapljanju. Tako delujejo sodobni brezkontaktni reverzibilni zaganjalniki.

Upamo, da je bil naš kratek članek koristen za vas in zdaj veste, kaj je močnostna elektronika, kateri elementi močnostne elektronike se uporabljajo v napravah močnostne elektronike in kako velik potencial ima močnostna elektronika za našo prihodnost.