Co to jest energoelektronika

W tym artykule porozmawiamy o energoelektronice. Czym jest energoelektronika, na czym się opiera, jakie ma zalety i jakie są jej perspektywy? Zastanówmy się nad elementami energoelektroniki, krótko zastanówmy się, czym one są, czym się od siebie różnią i do jakich zastosowań odpowiednie są te lub inne typy przełączników półprzewodnikowych. Oto przykłady urządzeń energoelektronicznych używanych w życiu codziennym, w produkcji iw życiu codziennym.

W ostatnich latach urządzenia energoelektroniczne dokonały wielkiego przełomu technologicznego w zakresie oszczędzania energii. Półprzewodnikowe przyrządy mocy, dzięki swojej elastycznej sterowalności, umożliwiają efektywną konwersję energii elektrycznej. Dzisiejsza waga, rozmiar i wskaźniki wydajności już wyniosły konwertery na jakościowo nowy poziom.

W wielu gałęziach przemysłu stosuje się softstartery, regulatory prędkości, zasilacze bezprzerwowe, działające na nowoczesnej bazie półprzewodnikowej i charakteryzujące się wysoką sprawnością. To wszystko energoelektronika.

Sterowanie przepływem energii elektrycznej w energoelektronice odbywa się za pomocą przełączników półprzewodnikowych, które zastępują przełączniki mechaniczne i którymi można sterować według niezbędnego algorytmu, aby uzyskać wymaganą średnią moc i precyzyjne działanie korpusu roboczego tego lub innego sprzęt.

Tak więc energoelektronika jest wykorzystywana w transporcie, górnictwie, komunikacji, w wielu gałęziach przemysłu, a dziś ani jedno potężne urządzenie gospodarstwa domowego nie może obejść się bez jednostek energoelektronicznych zawartych w jego projekcie.

Podstawowymi elementami składowymi energoelektroniki są właśnie kluczowe elementy półprzewodnikowe, które mogą otwierać i zamykać obwód z różnymi prędkościami, aż do megaherców. W stanie włączonym rezystancja przełącznika to jednostki i ułamki omów, aw stanie wyłączonym megaomy.

Zarządzanie kluczami nie wymaga dużej mocy, a straty na kluczu występujące podczas procesu przełączania, przy dobrze zaprojektowanym sterowniku, nie przekraczają jednego procenta. Z tego powodu wydajność energoelektroniki jest wysoka w porównaniu ze stratnymi pozycjami żelaznych transformatorów i przełączników mechanicznych, takich jak konwencjonalne przekaźniki.

Urządzenia energoelektroniczne to urządzenia, w których skuteczny prąd jest większy lub równy 10 amperów. W tym przypadku kluczowymi elementami półprzewodnikowymi mogą być: tranzystory bipolarne, tranzystory polowe, tranzystory IGBT, tyrystory, triaki, tyrystory lock-in oraz tyrystory lock-in ze zintegrowanym sterowaniem.

Niska moc sterowania pozwala również tworzyć mikroukłady mocy, w których jednocześnie łączy się kilka bloków: sam przełącznik, obwód sterujący i obwód sterujący, są to tak zwane inteligentne obwody.

Te elektroniczne elementy budulcowe znajdują zastosowanie zarówno w instalacjach przemysłowych dużej mocy, jak i domowych urządzeniach elektrycznych. Piekarnik indukcyjny o mocy kilku megawatów lub domowy parowar o mocy kilku kilowatów — oba mają półprzewodnikowe przełączniki zasilania, które po prostu działają z różnymi mocami.

Tyrystory mocy pracują więc w przekształtnikach o mocy powyżej 1 MVA, w obwodach napędów elektrycznych z prądem stałym i przemiennym z wysokim napięciem, stosowane są w instalacjach kompensacji mocy biernej, w instalacjach do topienia indukcyjnego.

Tyrystory blokujące są sterowane bardziej elastycznie, służą do sterowania sprężarkami, wentylatorami, pompami o mocy setek kVA, a potencjalna moc przełączania przekracza 3 MVA. Tranzystory IGBT umożliwiają zastosowanie przetwornic o mocy do jednostek MVA do różnych celów, zarówno do sterowania silnikami, jak i do zapewnienia ciągłego zasilania i przełączania dużych prądów w wielu instalacjach statycznych.

Tranzystory MOSFET mają doskonałą sterowność przy częstotliwościach setek kiloherców, co znacznie rozszerza zakres ich zastosowania w porównaniu z tranzystorami IGBT.

Triaki są optymalne do uruchamiania i sterowania silnikami prądu przemiennego, mogą pracować z częstotliwościami do 50 kHz i wymagają mniej energii do sterowania niż tranzystory IGBT.

Obecnie tranzystory IGBT mają maksymalne napięcie przełączania 3500 woltów i potencjalnie 7000 woltów.Elementy te mogą w nadchodzących latach zastąpić tranzystory bipolarne i będą stosowane w urządzeniach do jednostek MVA. W przypadku przetwornic małej mocy tranzystory MOSFET pozostaną bardziej akceptowalne, a dla ponad 3 MVA - tyrystory blokujące.

Według przewidywań analityków większość półprzewodników w przyszłości będzie miała konstrukcję modułową, w której w jednej obudowie mieści się od dwóch do sześciu kluczowych elementów. Zastosowanie modułów pozwala na zmniejszenie wagi, gabarytów oraz kosztów sprzętu, w którym będą zastosowane.

W przypadku tranzystorów IGBT postępem będzie wzrost prądów do 2 kA przy napięciach do 3,5 kV oraz wzrost częstotliwości pracy do 70 kHz przy uproszczonych schematach sterowania. Moduł może zawierać nie tylko przełączniki i prostownik, ale także sterownik i aktywne układy zabezpieczające.

Tranzystory, diody, tyrystory produkowane w ostatnich latach już znacznie poprawiły swoje parametry, takie jak prąd, napięcie, prędkość, a postęp nie stoi w miejscu.

W celu lepszej konwersji prądu przemiennego na prąd stały stosuje się prostowniki sterowane, które umożliwiają płynną zmianę napięcia wyprostowanego w zakresie od zera do wartości nominalnej.

Obecnie w układach wzbudzenia napędu elektrycznego prądu stałego tyrystory są stosowane głównie w silnikach synchronicznych. Podwójne tyrystory — triaki — mają tylko jedną elektrodę bramkową dla dwóch połączonych przeciwrównolegle tyrystorów, co jeszcze bardziej ułatwia sterowanie.

Aby wykonać proces odwrotny, stosuje się konwersję napięcia stałego na napięcie przemienne falowniki… Niezależne przetwornice półprzewodnikowe dają częstotliwość wyjściową, kształt i amplitudę określoną przez obwód elektroniczny, a nie przez sieć. Inwertery wykonywane są w oparciu o różnego rodzaju kluczowe elementy, jednak dla dużych mocy, powyżej 1 MVA, ponownie na wierzch wychodzą inwertery tranzystorowe IGBT.

W przeciwieństwie do tyrystorów, tranzystory IGBT zapewniają szersze i dokładniejsze kształtowanie prądu i napięcia wyjściowego. Przetwornice samochodowe małej mocy wykorzystują w swojej pracy tranzystory polowe, które przy mocy do 3 kW wykonują doskonałą pracę polegającą na przekształcaniu prądu stałego z 12-woltowego akumulatora, najpierw na prąd stały, za pośrednictwem działającego przetwornika impulsów wysokiej częstotliwości z częstotliwością od 50 kHz do setek kiloherców, a następnie naprzemiennie z częstotliwością 50 lub 60 Hz.

Aby przekonwertować prąd o jednej częstotliwości na prąd o innej częstotliwości, użyj półprzewodnikowe przetwornice częstotliwości… Wcześniej robiono to wyłącznie na podstawie tyrystorów, które nie miały pełnej sterowalności; konieczne było opracowanie złożonych schematów wymuszonego blokowania tyrystorów.

Zastosowanie przełączników, takich jak polowe tranzystory MOSFET i IGBT, ułatwia projektowanie i wdrażanie przetwornic częstotliwości i można przewidywać, że tyrystory, zwłaszcza w urządzeniach małej mocy, zostaną w przyszłości odrzucone na rzecz tranzystorów.

Tyrystory są nadal używane do odwracania napędów elektrycznych; wystarczy mieć dwa zestawy przetwornic tyrystorowych, aby zapewnić dwa różne kierunki prądu bez konieczności przełączania. Tak działają nowoczesne bezdotykowe rozruszniki rewersyjne.

Mamy nadzieję, że nasz krótki artykuł był dla Ciebie przydatny i już wiesz, czym jest energoelektronika, jakie elementy energoelektroniki są stosowane w urządzeniach energoelektronicznych i jak wielki potencjał energoelektroniki drzemie w naszej przyszłości.