Основи силової електроніки - силові напівпровідникові прилади. Концепція силової електроніки

Рецензент доктор технічних наук Ф. І. Ковальов

Викладаються принципи перетворення електричної енергії: випрямлення, інвертування, перетворення частоти та ін. Розглянуто особливості конструювання та експлуатації.

Для інженерів та техніків з розробки та експлуатації електричних систем, що містять перетворювальні пристрої, а також зайнятих випробуванням та обслуговуванням перетворювальної техніки.

Розанов Ю. К. Основи силової електроніки. - Москва, видавництво Енергоатоміздат, 1992. - 296 с.

Передмова
Вступ

Глава перша. Основні елементи силової електроніки
1.1. Силові напівпровідникові прилади
1.1.1. Силові діоди
1.1.2. Силові транзистори
1.1.3. Тиристори
1.1.4. Застосування силових напівпровідникових приладів
1.2. Трансформатори та реактори
1.3. Конденсатори

Розділ другий. Випрямлячі
2.1. Загальні відомості
2.2. Основні схеми випрямлення
2.2.1. Однофазна двонапівперіодна схема із середньою точкою
2.2.2. Однофазна бруківка схема
2.2.3. Трифазна схема із середньою точкою
2.2.4. Трифазна бруківка
2.2.5. Багатомостові схеми
2.2.6. Гармонічний склад випрямленої напруги та первинних струмів у схемах випрямлення
2.3. Комутація та режими роботи випрямлячів
2.3.1. Комутація струмів у схемах випрямлення
2.3.2. Зовнішні характеристики випрямлячів
2.4. Енергетичні характеристики випрямлячів та способи їх покращення
2.4.1. Коефіцієнт потужності та ККД випрямлячів
2.4.2. Поліпшення коефіцієнта потужності керованих випрямлячів
2.5. Особливості роботи випрямлячів на ємнісне навантаження та проти-ЕРС
2.6. Фільтри, що згладжують
2.7. Робота випрямляча від джерела порівнянної потужності

Розділ третій. Інвертори та перетворювачі частоти
3.1. Інвертори, ведені мережею
3.1.1. Однофазний інвертор із середньою точкою
3.1.2. Трифазний мостовий інвертор
3.1.3. Баланс потужностей в інверторі, веденому мережею
3.1.4. Основні характеристики та режими роботи інверторів, ведених мережею
3.2. Автономні інвертори
3.2.1. Інвертори струму
3.2.2. Інвертори напруги
3.2.3. Інвертори напруги на тиристорах
3.2.4. Резонансні інвертори
3.3. Перетворювачі частоти
3.3.1. Перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму
3.3.2. Перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком
3.4. Регулювання вихідної напруги автономних інверторів
3.4.1. Загальні принципи регулювання
3.4.2. Регулюючі пристрої інверторів струму
3.4.3. Регулювання вихідної напруги за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ)
3.4.4. Геометричне складання напруг
3.5. Способи покращення форми вихідної напруги інверторів та перетворювачів частоти
3.5.1. Вплив несинусоїдності напруги на споживачів електроенергії
3.5.2. Вихідні фільтри інверторів
3.5.3. Зменшення вищих гармонік у вихідній напрузі без застосування фільтрів

Розділ четвертий. Регулятори-стабілізатори та статичні контактори
4.1. Регулятори-стабілізатори змінної напруги
4.2. Регулятори-стабілізатори постійного струму
4.2.1. Параметричні стабілізатори
4.2.2. Стабілізатори безперервної дії
4.2.3. Імпульсні регулятори
4.2.4. Розвиток структур імпульсних регуляторів
4.2.5. Тиристорно-конденсаторні регулятори постійного струму з дозованою передачею енергії у навантаження
4.2.6. Комбіновані перетворювачі-регулятори
4.3. Статичні контактори
4.3.1. Тиристори контактори змінного струму
4.3.2. Тиристорні контактори постійного струму

Розділ п'ятий. Системи керування перетворювальними пристроями
5.1. Загальні відомості
5.2. Структурні схеми систем керування перетворювальних пристроїв
5.2.1. Системи управління випрямлячів та залежних інверторів
5.2.2. Системи керування перетворювачів частоти з безпосереднім зв'язком
5.2.3. Системи керування автономних інверторів
5.2.4. Системи керування регуляторів-стабілізаторів
5.3. Мікропроцесорні системи в перетворювальній» техніці
5.3.1. Типові узагальнені структури мікропроцесора
5.3.2. Приклади використання мікропроцесорних систем керування

Розділ шостий. Застосування силових електронних пристроїв
6.1. Області раціонального застосування
6.2. Загальні технічні вимоги
6.3. Захист в аварійних режимах
6.4. Експлуатаційний контроль та діагностика технічного стану
6.5. Забезпечення паралельної роботи перетворювачів
6.6. Електромагнітні перешкоди
Список літератури

Список літератури
1. ГОСТ 20859.1-89 (СТ РЕВ 1135-88). Прилади напівпровідникові силові єдиної уніфікованої серії. Загальні технічні умови

2. Чебовський О. Г., Мойсеєв Л. Г., Недошивін Р. П. Силові напівпровідникові прилади: Довідник. -2-ге вид., перераб. та дод. М.: Вища школа, 1985.

3 Iravis У. 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. Силові напівпровідникові модулі за кордоном / В. Б. Зільберштейн, С. В. Машин, В. А. Потапчук та ін. // Електротехнічна промисловість. Сер. 05. Силова перетворювальна техніка. 1988. Вип. 18. С. 1-44.

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

8. Русін Ю. З, Горський А. М., Розанов Ю. До. Дослідження залежності обсягів електромагнітних елементів від частоти // Електротехнічна промисловість. Перетворювальна техніка. 1983. № 10. С. 3-6.

9. Електричні конденсатори та конденсаторні установки: Довідник / В. П. Берзан, Б. Ю. Гелікман, М. Н. Гураєвський н ін. Під ред. Г. С. Кучинського. М.: Вища школа, 1987.

10. Напівпровідникові випрямлячі / За ред. Ф.І.Ковальова та Г.П. Мосткової. М: Енергія, 1978.

11. Circuit configuration of 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. Основи силової перетворювальної техніки. М: Енергія, 1979.

13. Чиженко І. М., Руденко В. С, Сеїко В. І. Основи перетворювальної техніки. М.: вища школа, 1974.

14. Іванов В. А. Динаміка автономних інверторів із прямою комутацією. М: Енергія, 1979.

15. Ковальов Ф. І., Мустафа Г. М., Барегемян Г. В. Управління за прогнозом, що обчислюється імпульсним перетворювачем з синусоїдальною вихідною напругою // Електротехнічна промисловість. Перетворювальна техніка. 1981. № 6 (34). 10-14.

16. Middelbrook R. D. Ізоляція і множинні викладання extensions of 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. І. Тиристорно-конденсаторні перетворювачі. М. Видавництво, 1982.

18. Розінов Ю. К. Напівпровідникові перетворювачі зі ланкою підвищеної частоти. М.: Вища школа, 1987.

19. Калабеков А. А. Мікропроцесори н їх застосування в системах передачі та обробки сигналів. М.: Радіо та зв'язок, 1988.

20. Строганов Р. П. Керуючі машини та їх застосування. М: Вища школа, 1986.

21. Обухів СТ., Рамізевич Т. В. Застосування мікро-ЕОМ для управління вентильними перетворювачами // Електротехнічна промисловість. Перетворювальна техніка. 1983. Вип. 3(151). С. 9

22. Управління вентильними перетворювачами з урахуванням мікропроцесорів / Ю. М. Биков, І. Т. Пар, Л. Я. Раскин, Л. П. Деткін// Електротехнічна промисловість. Перетворювальна техніка. 1985. Вип. 10. С. 117.

23. Matsui N., Takeshk Т., Vura M. One-Chip Micro - Комп'ютер - Базований controller для MC Hurray Junerter // IEEE Transactions on industrial electronics, 1984. Vol. JE-31, N 3. P. 249-254.

24. Булатов О. Г., Іванов В. С, Панфілов Д. І. Напівпровідникові зарядні пристроїємнісних накопичувачів енергії М.: Радіо та зв'язок, 1986.

ПЕРЕДМОВА

Силова електроніка є постійно розвивається та перспективною областю електротехніки. Досягнення сучасної силової електроніки дуже впливають на темпи технічного прогресу в усіх розвинених індустріальних суспільствах. У цьому виникає необхідність широкого кола науково-технічних працівників у більш ясному розумінні основ сучасної силової електроніки.

Силова електроніка має у час досить глибоко розроблені теоретичні основи, проте автор не ставив собі завдання навіть часткового їх викладу, оскільки цим питанням присвячені численні монографії і підручники. Зміст цієї книги та методика його викладу розраховані в першу чергу на інженерно-технічних працівників, які не є фахівцями в галузі силової електроніки, але пов'язані з застосуванням та експлуатацією електронних пристроїв та апаратів і бажають отримати уявлення про основні принципи роботи електронних пристроїв, їх схемотехніку та загальних положеннях з розробки та експлуатації. Крім того, більшість розділів книги може бути також використано учнями різних технічних навчальних закладів щодо дисципліни, до програми яких входять питання силової електроніки.

• формат pdf
• розмір 4.64 МБ
• додано 24 жовтня 2008 р.

Підручник - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 1999.

Частини: 1.1, 1.2, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4

Цей підручник призначений (при двох рівнях глибини викладу матеріалу) для студентів факультетів ФЕН, ЕМФ, які не є «спеціалістами» з силової електроніки, але вивчають курси різних назв щодо використання пристроїв силової електроніки в електроенергетичних, електромеханічних, електротехнічних системах. Розділи підручника, виділені рубаним шрифтом, призначені (також за двох рівнів глибини викладу) для додаткового, глибшого вивчення курсу, що дозволяє використовувати його і як навчальний посібникдля студентів спеціальності «Промелектроніка» РЕФ, які готуються як фахівці з силової електроніки. Таким чином, у запропонованому виданні реалізовано принцип «чотири в одному». Додані в окремі розділи огляди науково-технічної літератури з відповідних розділів курсу дозволяють рекомендувати посібник як інформаційне видання для магістрантів та аспірантів.

Передмова.
Науково-технічні та методичні засади дослідження пристроїв силової електроніки.
Методологія системного підходу до аналізу пристроїв силової електроніки
Енергетичні показники якості перетворення енергії у вентильних перетворювачах.
Енергетичні показники якості електромагнітних процесів.
Енергетичні показники якості використання елементів пристрою та пристрою загалом.
Елементна основа вентильних перетворювачів.
Силові напівпровідникові пристрої.
Вентили з неповним керуванням.
Вентили з повним керуванням.
Тиристори, що замикаються, транзистори.
Трансформатори та реактори.
Конденсатори.
Види перетворювачів електричної енергії.
Методи розрахунку енергетичних показників.
Математичні моделі вентильних перетворювачів.
Методи розрахунку енергетичних показників перетворювачів.
Інтегральний метод.
Спектральний метод.
Прямий метод.
Метод Пекло.
Метод Пекло.
Метод Пекло(1).
Методи АдуМ1, Адум2, Адум(1).
Теорія проеобразования змінного струму постійний при ідеальних параметрах перетворювача.
Випрямляч як система. Основні визначення та позначення.
Механізм перетворення змінного струму на випрямлений в базовій комірці Дт/От.
Двофазний випрямляч однофазного струму (m1 = 1, m2 = 2, q = 1).
Випрямляч однофазного струму за бруківкою (m1 = m2 = 1, q = 2).
Випрямляч трифазного струму зі схемою з'єднання обмоток транс.
Форматор трикутник - зірка з нульовим виводом (m1 = m2 = 3, q ​​= 1).
Випрямляч трифазного струму зі схемою з'єднання обмоток трансформатора зірка - зигзаг з нулем (m1 = m2 = 3, q ​​= 1).
Шестифазний випрямляч трифазного струму зі з'єднанням вторинних обмоток трансформатора зірка – зворотна зірка з зрівняльним реактором (m1 = 3, m2 = 2 х 3, q ​​= 1).
Випрямляч трифазного струму за бруківкою (m1=m2=3, q=2).
Керовані випрямлячі. Регулювальна характеристика теорія перетворення змінного струму на постійний (з рекуперацією) з урахуванням реальних параметрів елементів перетворювача.
Процес комутації в керованому випрямлячі з реальним трансформатором. Зовнішня характеристика.
Теорія роботи випрямляча протиЕДС при кінцевому значенні індуктивності Ld.
Режим переривчастого струму (? 2?/qm2).
Режим гранично безперервного струму (? = 2?/qm2).
Режим безперервного струму (? 2?/qm2).
Робота випрямляча з конденсаторним фільтром, що згладжує.
Звернення напрямку потоку активної потужності у вентильному перетворювачі з протиЕРС у ланці постійного струму – режим залежного інвертування.
Залежний інвертор однофазного струму (m1=1, m2=2, q=1).
Залежний інвертор трифазного струму (m1=3, m2=3, q=1).
Загальна залежність первинного струму випрямляча від анодного і випрямленого струмів (закон Чернишова).
Спектри первинних струмів трансформаторів випрямлячів та залежних інверторів.
Спектри випрямленої та інвертованої напруги вентильного перетворювача.
Оптимізація числа вторинних фаз трансформатора випрямляча. Еквівалентні багатофазні схеми випрямлення.
Вплив комутації на діючі значення струмів трансформатора та його типову потужність.
ККД та коефіцієнт потужності вентильного перетворювача в режим випрямлення та залежного інвертування.
Коефіцієнт корисної дії.
Коефіцієнт потужності.
Випрямлячі на повністю керованих вентилях.
Випрямляч з випереджальним фазовим регулюванням.
Випрямляч із широтно-імпульсним регулюванням випрямленої напруги.
Випрямляч з примусовим формуванням кривої струму, що споживається з мережі живлення.
Реверсивний вентильний перетворювач (реверсивний випрямляч).
Електромагнітна сумісність вентильного перетворювача з мережею живлення.
Модельний приклад електричного проектування випрямляча.
Вибір схеми випрямляча (етап структурного синтезу).
Розрахунок параметрів елементів схеми керованого випрямляча (етап параметричного синтезу).
Висновок.
Література
Предметний покажчик.

Дивіться також

• формат djvu
• розмір 1.39 МБ
• додано 20 квітня 2011 р.

Новосибірськ: НДТУ, 1999. – 204 с. Цей підручник призначений (при двох рівнях глибини викладу матеріалу) для студентів факультетів ФЕН, ЕМФ, які не є «спеціалістами» з силової електроніки, але вивчають курси різних назв з використання пристроїв силової електроніки в електроенергетичних, електромеханічних, електро технічних системах. Розділи підручника, виділені рубаним шрифтом, призначені (також при двох рівнях глухим...

Зінов Г.С. Основи силової електроніки. Частина 1

• формат pdf
• розмір 1.22 МБ
• додано 11 жовтня 2010 р.

Новосибірськ: НДТУ, 1999. Цей підручник призначений (при двох рівнях глибини викладу матеріалу) для студентів факультетів ФЕН, ЕМФ, які не є «спеціалістами» з силової електроніки, але вивчають курси різних назв з використання пристроїв силової електроніки в електроенергетичних, електромеханічних, електротехнічних системах . Розділи підручника, виділені рубаним шрифтом, призначені (також при двох рівнях глибини зла...

Зінов'єв Г.С. Основи силової електроніки (1/2)

• формат pdf
• розмір 1.75 МБ
• додано 19 червня 2007 р.

Підручник - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, Частина перша. 1999. - 199 с. Цей підручник призначений (при двох рівнях глибини викладу матеріалу) для студентів факультетів ФЕН, ЕМФ, які не є «спеціалістами» з силової електроніки, але вивчають курси різних назв щодо використання пристроїв силової електроніки в електроенергетичних, електромеханічних, електротехнічних системах. Розділи підручника, виділені рубаним шрифтом, призначені для...

Зінов'єв Г.С. Основи силової електроніки. Том 2,3,4

• формат pdf
• розмір 2.21 МБ
• додано 18 листопада 2009 р.

Підручник - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, Частини друга, третя та четверта. 2000. - 197 с. Друга частина підручника, будучи продовженням першої частини, виданої в 1999 р., присвячена викладу базових схем перетворювачів постійної напруги в постійну, постійної – в змінну (автономні інвертори), змінної напруги в змінну напругу незмінної або регульованої частоти. Матеріал також структурований відповідно до принципу «...

Зінов'єв Г.С. Основи силової електроніки. Том 5

• формат pdf
• розмір 763.08 КБ
• додано 18 травня 2009 р.

Підручник - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, Частина п'ята. 2000. - 197 с. Друга частина підручника, будучи продовженням першої частини, виданої в 1999 р., присвячена викладу базових схем перетворювачів постійної напруги в постійну, постійної – в змінну (автономні інвертори), змінної напруги в змінну напругу незмінної або регульованої частоти. Матеріал також структурований відповідно до принципу «чотири в одному» за чо...

Зінов'єв Г.С. Основи силової електроніки. Частина 2

• формат djvu
• розмір 3.62 МБ
• додано 20 квітня 2011 р.

Новосибірськ: НДТУ, 2000. Цей підручник є другою частиною з трьох запланованих за курсом «Основи силової електроніки». До першої частини підручника примикає методичний посібник лабораторним роботамреалізованим за допомогою кафедрального пакету програм моделювання пристроїв силової електроніки PARUS-PARAGRAPH. Матеріал другої частини підручника підтримується комп'ютеризованим курсом лабораторних робіт.

Книга "Основи силової електроніки"дозволить початківцю радіоаматору поетапно з паяльником в руках пройти крізь терни до зірок - від осягнення азів силової електроніки до гірських вершин професійної майстерності.

Викладені у книзі відомості розділені на три категорії рівнів підготовки спеціаліста у галузі силової електроніки. Після оволодіння черговим етапом підготовки та відповіді на своєрідні екзаменаційні питання учень "перекладається" на наступний рівень знань.

У книзі наводяться практичні, теоретичні та довідкові відомості, достатні для того, щоб читач у міру просування сторінками книги зміг самостійно розрахувати, зібрати і налаштувати електронну конструкцію, що йому сподобалася. Для підвищення професійної майстерності читача у книзі наведено численні перевірені практикою корисні поради, і навіть реальні схеми електронних пристроїв.
Видання може бути корисним читачам різного віку та рівня підготовки, які цікавляться питаннями створення, проектування, вдосконалення та ремонту елементів та вузлів силової електроніки.

Вступ

Глава I. Освоюємо основи силової електроніки
1.1. Визначення та закони електротехніки
1.2. Основні елементи силової електроніки
1.3. Послідовно-паралельне та інше включення
елементів радіоелектроніки
Послідовно-паралельне включення резисторів
Послідовно-паралельне включення конденсаторів
Послідовно-паралельне включення котушок індуктивності
Послідовно-паралельне включення напівпровідникових діодів
Складові транзистори
Схеми Дарлінгтона та Шиклаї-Нортона
Паралельне включення транзисторів
Послідовне включення транзисторів
1.4. Перехідні процеси в RLC-ланцюгах
Перехідні процеси в CR- та RC-ланцюгах
Перехідні процеси в LR- та RL-ланцюгах
Перехідні процеси в CL- та LC-ланцюгах
1.5. Лінійні трансформаторні джерела живлення
Типова блок-схема класичного вторинного джерела живлення
Трансформатор
1.6. Випрямлячі
1.7. Фільтри живлення, що згладжують
Одноелементний одноланковий С-фільтр
Одноелементний одноланковий L-фільтр
Двоелементний одноланковий Г-подібний LC-фільтр
Двоелементний одноланковий Г-подібний RC-фільтр
Триелементний одноланковий П-подібний діодний фільтр, що згладжує.
Компенсаційний фільтр
Багатоланкові фільтри, що згладжують.
Активні фільтри
Транзисторний фільтр, що згладжує
Фільтр із послідовним транзистором
Фільтр із паралельним включенням транзистора
Порівняльні характеристики фільтрів джерел живлення
1.8. стабілізатори напруги
Паралельний стабілізатор напруги
на підвищену потужність навантаження
Послідовний стабілізатор напруги
Послідовний компенсаційний стабілізатор
із застосуванням операційного підсилювача
Стабілізатори напруги на інтегральних мікросхемах
1.9. Перетворювачі напруги
Конденсаторні перетворювачі напруги
Перетворювачі напруги із самозбудженням
Перетворювачі напруги із зовнішнім збудженням
Імпульсні перетворювачі напруги
1.10. Запитання та завдання для самоперевірки знань

Розділ II. Практичні конструкції силової електроніки
2.1. Випрямлячі
Однофазні двоканальні та східчасто-регульовані випрямлячі
Схеми трифазних (багатофазних) випрямлячів
Однонапівперіодний багатофазний випрямляч
2.2. Помножувачі напруги
2.3. Фільтри живлення, що згладжують
2.4. Стабілізатори постійного струму
Генератори стабільного струму
Токове дзеркало
Генератори стабільного струму на польових транзисторах
Генератори стабільного струму на польових та біполярних транзисторах
Генератори стабільного струму із застосуванням операційних підсилювачів
ГСТ із використанням спеціалізованих мікросхем
2.5. стабілізатори напруги
Джерела опорної напруги
Стабілізатори напруги паралельного типу
на спеціалізованих мікросхемах
Імпульсний стабілізований регулятор напруги
Знижувальний імпульсний регулятор напруги
Лабораторний стабілізований блок живлення
Імпульсні стабілізатори напруги
2.6. Перетворювачі напруги
Підвищуючий DC/DC-перетворювач
Стабілізований перетворювач напруги
Перетворювач напруги 1,5/9 для живлення мультиметра
Простий перетворювач напруги 12/220 50 Гц
Перетворювач напруги 12В/230В 50 Гц
Типова схема DC/DC конвертора з гальванічною розв'язкою на TOPSwitch
Перетворювач напруги 5/5 В з гальванічною розв'язкою
2.7. Перетворювачі напруги для живлення газорозрядних та світлодіодних
джерел світла
Низьковольтне харчування ЛДС з регулюванням їхньої яскравості
Перетворювач напруги для живлення лампи денного світла
Перетворювач для живлення ЛДС на ТВС-110ЛА
Перетворювач живлення енергозберігаючої лампи
Драйвери для живлення світлодіодних джерел світла
для живлення світлодіодних джерел світла від гальванічних
пальчикових або акумуляторних батарей
Перетворювачі напруги на мікросхемах
для живлення світлодіодних джерел світла від мережі змінного струму
2.8. Дімери
Димери для керування інтенсивністю свічення ламп розжарювання
Димери для керування інтенсивністю випромінювання
світлодіодних джерел світла
2.9. Акумулятори та зарядні пристрої
Порівняльні характеристики акумуляторів
Універсальні зарядні пристрої
для заряду NiCd/NiMH-акумуляторів
Контролер заряду Li-Pol акумуляторної батареїна мікросхемі
Зарядний пристрій Li-Pol акумуляторної батареї
Пристрій для заряду LiFePO4 та Li-Ion акумуляторів
Автоматичні зарядні пристрої з живленням від сонячної батареї
Бездротові зарядні пристрої
2.10. Регулятори та стабілізатори частоти обертання валу електродвигунів
Характеристики електродвигунів
Електродвигуни постійного струму
Регулятори частоти обертання електродвигунів постійного струму
на інтегральних мікросхемах
Авторегулятор обертів кулера для комп'ютера
Температурозалежний комутатор вентилятора
Стабілізатор частоти обертання валу електродвигуна
Регулювання та стабілізація частоти обертання двигуна постійного струму
Регулятор швидкості для електродвигуна постійного струму
ШИМ-регулятори обертів двигунів постійного струму
Регулятор числа обертів електродвигуна з реверсуванням
Електродвигуни змінного струму
Підключення трифазного асинхронного електродвигуна
до однофазної мережі
Трифазна напруга з електродвигуна
Перетворювач однофазної напруги на трифазний
Формувачі трифазної напруги на основі
електронного аналога трансформатора Скотта
Широкодіапазонний генератор трифазної напруги
Частотні перетворювачі для живлення трифазних асинхронних
електродвигунів
Використання широтно-імпульсної модуляції
для регулювання оборотів електродвигуна
Регулятор числа обертів крокового електродвигуна
Пристрій захисту електродвигуна від навантаження
2.11. Коректори коефіцієнта потужності
Трикутник потужностей
Методи корекції коефіцієнта потужності
Пасивна корекція коефіцієнта потужності
Активна корекція коефіцієнта потужності
2.12. Стабілізатори мережної напруги
Основні характеристики стабілізаторів
Ферорезонансні стабілізатори
Електромеханічні стабілізатори
Електронні стабілізатори
Інверторні стабілізатори
Джерела безперебійного чи резервного живлення
2.13. Ремонт та налагодження вузлів силової електроніки
2.14. Запитання та завдання для самоперевірки знань
для переходу на наступний щабель

Розділ III. Професійні технічне рішенняпитань силової електроніки
3.1. Методологічні засади інженерно-технічної творчості у вирішенні
практичних завдань радіоелектроніки
3.2. Методи вирішення творчих завдань
Вирішення творчих завдань першого рівня складності
Метод тимчасової або масштабної лупи
Вирішення творчих завдань другого рівня складності
Мозковий штурм (мозкова атака, брейнстормінг)
Вирішення творчих завдань третього рівня складності
Функціонально-вартісний аналіз
Завдання з силової електроніки
для розвитку творчої уяви
3.3. Патенти та нові ідеї в галузі силової електроніки
Нові патенти в галузі силової електроніки
Компенсаційний стабілізатор постійної напруги
Стабілізатор постійної напруги
Знижувальний перетворювач змінної напруги на постійне
Перетворювач однополярної напруги на двополярну
Мікропотужний перетворювач однополярної напруги на двополярне
Бар'єрно-резистивні елементи - баристор та їх застосування
Індукційне нагрівання
Трансформатор струму для нагрівання теплоносія
3.4. Силова електроніка незвичайних явищ
Парадоксальні експерименти та їх інтерпретація
Техніка кірліанівської фотографії
Установка для дослідження газорозрядних процесів
Схемотехніка апаратів для «кирліанівської» фотографії
Генератор для отримання «кирліанівських» фотографій
Апарати для ультратонової терапії
Електронні уловлювачі радіоактивного пилу - електронний пилосос
Іонний двигун
Іоноліт
Іонофон або дуга, що співає
Плазмова куля
Простий лінійний прискорювач - Гаус-гармата
Рельсотрон (railgun)
3.5. Особливості використання пасивних елементів у силовій електроніці
Ряди номіналів резисторів та конденсаторів
Резистори для силової електроніки
Конденсатори для силової електроніки
Частотні характеристики конденсаторів різних типів
Алюмінієві електролітичні конденсатори
Танталові електролітичні конденсатори
Індуктивності для силової електроніки
Основні параметри котушок індуктивності
Частотні властивості котушок індуктивності
3.6. Особливості використання напівпровідникових приладів у силовій електроніці
Властивості п-р-переходу
Біполярні транзистори
MOSFET- та IGBT-транзистори
3.7.Снаббери
3.8. Охолодження елементів силової електроніки
Порівняльні характеристики систем охолодження
Повітряне охолодження
Рідинне охолодження
Термоохолоджувачі з використанням ефекту Пельтьє
П'єзоелектричні модулі активного охолодження
3.9. Запитання та завдання для самоперевірки знань

Додаток 1. Способи намотування тороїдальних трансформаторів
Додаток 2. Техніка безпеки під час виготовлення, налагодження
та експлуатації пристроїв силової електроніки
Список літератури та Інтернет-ресурсів

Основи силової електроніки (2017) Шустов М.А.

• Передмова
• Вступ
• Глава перша. Основні елементи силової електроніки
  • 1.1. Силові напівпровідникові прилади
    • 1.1.1. Силові діоди
    • 1.1.2. Силові транзистори
    • 1.1.3. Тиристори
    • 1.1.4. Застосування силових напівпровідникових приладів
  • 1.2. Трансформатори та реактори
  • 1.3. Конденсатори
• Розділ другий. Випрямлячі
  • 2.1. Загальні відомості
  • 2.2. Основні схеми випрямлення
    • 2.2.1. Однофазна двонапівперіодна схема із середньою точкою
    • 2.2.2. Однофазна бруківка схема
    • 2.2.3. Трифазна схема із середньою точкою
    • 2.2.4. Трифазна бруківка
    • 2.2.5. Багатомостові схеми
    • 2.2.6. Гармонічний склад випрямленої напруги та первинних струмів у схемах випрямлення
  • 2.3. Комутація та режими роботи випрямлячів
    • 2.3.1. Комутація струмів у схемах випрямлення
    • 2.3.2. Зовнішні характеристики випрямлячів
  • 2.4. Енергетичні характеристики випрямлячів та способи їх покращення
    • 2.4.1. Коефіцієнт потужності та ККД випрямлячів
    • 2.4.2. Поліпшення коефіцієнта потужності керованих випрямлячів
  • 2.5. Особливості роботи випрямлячів на ємнісне навантаження та проти-ЕРС
  • 2.6. Фільтри, що згладжують
  • 2.7. Робота випрямляча від джерела порівнянної потужності
• Розділ третій. Інвертори та перетворювачі частоти
  • 3.1. Інвертори, ведені мережею
    • 3.1.1. Однофазний інвертор із середньою точкою
    • 3.1.2. Трифазний мостовий інвертор
    • 3.1.3. Баланс потужностей в інверторі, веденому мережею
    • 3.1.4. Основні характеристики та режими роботи інверторів, ведених мережею
  • 3.2. Автономні інвертори
    • 3.2.1. Інвертори струму
    • 3.2.2. Інвертори напруги
    • 3.2.3. Інвертори напруги на тиристорах
    • 3.2.4. Резонансні інвертори
  • 3.3. Перетворювачі частоти
    • 3.3.1. Перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму
    • 3.3.2. Перетворювачі частоти з безпосереднім зв'язком
  • 3.4. Регулювання вихідної напруги автономних інверторів
    • 3.4.1. Загальні принципи регулювання
    • 3.4.2. Регулюючі пристрої інверторів струму
    • 3.4.3. Регулювання вихідної напруги за допомогою ши-i рбтно-імпульсної модуляції (ШІМ)
    • 3.4.4. Геометричне складання напруг
  • 3.5. Способи покращення форми вихідної напруги інверторів та перетворювачів частоти
    • 3.5.1. Вплив несинусоїдності напруги на споживачів електроенергії
    • 3.5.2. Вихідні фільтри інверторів
    • 3.5.3. Зменшення вищих гармонік у вихідній напрузі без застосування фільтрів
• Розділ четвертий. Регулятори-стабілізатори та статичні контактори
  • 4.1. Регулятори-стабілізатори змінної напруги
  • 4.2. Регулятори-стабілізатори постійного струму
    • 4.2.1. Параметричні стабілізатори
    • 4.2.2. Стабілізатори безперервної дії
    • 4.2.3. Імпульсні регулятори
    • 4.2.4. Розвиток структур імпульсних регуляторів
    • 4.2.5. Тиристорно-конденсаторні регулятори постійного струму з дозованою передачею енергії у навантаження
    • 4.2.6. Комбіновані перетворювачі-регулятори
  • 4.3. Статичні контактори
    • 4.3.1. Тиристори контактори змінного струму
    • 4.3.2. Тиристорні контактори постійного струму
• Розділ п'ятий. Системи керування перетворювальними пристроями
  • 5.1. Загальні відомості
  • 5.2. Структурні схеми систем керування перетворювальних пристроїв
    • 5.2.1. Системи управління випрямлячів та залежних інверторів
    • 5.2.2. Системи керування перетворювачів частоти з безпосереднім зв'язком
    • 5.2.3. Системи керування автономних інверторів
    • 5.2.4. Системи керування регуляторів-стабілізаторів
  • 5.3. Мікропроцесорні системи у перетворювальній техніці
    • 5.3.1. Типові узагальнені структури мікропроцесора
    • 5.3.2. Приклади використання мікропроцесорних систем керування
• Розділ шостий. Застосування силових електронних пристроїв
  • 6.1. Області раціонального застосування
  • 6.2. Загальні технічні вимоги
  • 6.3. Захист в аварійних режимах
  • 6.4. Експлуатаційний контроль та діагностика технічного стану
  • 6.5. Забезпечення паралельної роботи перетворювачів
  • 6.6. Електромагнітні перешкоди
• Список літератури

ВСТУП

В електронній техніці виділяють силову та інформаційну електроніку. Силова електроніка спочатку виникла як область техніки, пов'язана переважно із перетворенням різних видівелектроенергії з урахуванням використання електронних приладів. Надалі досягнення у галузі напівпровідникових технологій дозволили значно розширити функціональні можливості, силових електронних пристроїв та відповідно сфери їх застосування.

Пристрої сучасної силової електроніки дозволяють управляти потоками електроенергії не тільки з метою її перетворення з одного виду в інший, але і розподілу, організації швидкодіючого захисту електричних ланцюгів, компенсації реактивної потужностіта ін Ці функції, тісно пов'язані з традиційними завданнями електроенергетики, визначили й іншу назву силової електроніки - енергетична електроніка. Інформаційна електроніка переважно використовується для керування інформаційними процесами. Зокрема, Пристрої інформаційної електроніки є основою систем управління та регулювання різними об'єктами, у тому числі апаратами силової електроніки.

Однак незважаючи на інтенсивне розширення функцій апаратів силової електроніки та областей їх застосування основні науково-технічні проблеми та завдання, які вирішуються в галузі силової електроніки, пов'язані з. перетворення електричної енергії.

Електроенергія використовується в різних формах: у вигляді змінного струму з частотою 50 Гц, у вигляді постійного струму (понад 20% всієї електроенергії, що виробляється), а також змінного струму підвищеної частоти або струмів спеціальної форми (наприклад, імпульсної та ін.). Ця різниця в основному зумовлена ​​різноманіттям та специфікою споживачів, а в ряді випадків (наприклад, у системах автономного електропостачання) та первинних джерел електроенергії.

Різноманітність у видах електроенергії, що споживається і виробляється, викликає необхідність її перетворення. Основними видами перетворення електроенергії є:

• 1) випрямлення (перетворення змінного струму на постійний);
• 2) інвертування (перетворення постійного струму на змінний);
• 3) перетворення частоти (перетворення змінного струму однієї частоти в змінний струміншої частоти).

Існує також ряд інших, менш поширених видів перетворення: форми кривої струму, числа фаз та ін. В окремих випадках використовується комбінація декількох видів перетворення. Крім того, електроенергія може перетворюватися з метою покращення якості її параметрів, наприклад, для стабілізації напруги або частоти змінного струму.

Перетворення електроенергії може здійснюватися у різний спосіб. Зокрема, традиційним для електротехніки є перетворення за допомогою електромашинних агрегатів, що складаються з двигуна та генератора, об'єднаних загальним валом. Однак цьому способу перетворення властивий ряд недоліків: наявність рухливих частин, інерційність та ін. Тому паралельно з розвитком електромашинного перетворення в електротехніці велика увага приділялася розробці способів статичного перетворення електроенергії. Більшість таких розробок ґрунтувалися на використанні нелінійних елементів електронної техніки. Основними елементами силової електроніки, що стали базою створення статичних перетворювачів, з'явилися напівпровідникові прилади. Провідність більшості напівпровідникових приладів значною мірою залежить від напрямку електричного струму: у прямому напрямку їх провідність велика, у зворотному-мала (тобто напівпровідниковий прилад має два явно виражені стани: відкритий і закритий). Напівпровідникові прилади бувають некерованими та керованими. В останніх можна керувати моментом настання їх високої провідності (включенням) у вигляді керуючих імпульсів малої потужності. Першими вітчизняними роботами, присвяченими дослідженню напівпровідникових приладів та їх використанню для перетворення електроенергії, були роботи академіків В. Ф. Міткевича, Н. Д. Папелексі та ін.

У 30-х роках у СРСР та за кордоном були поширені газорозрядні прилади (ртутні вентилі, тиратрони, газотрони та ін.). Поруч із освоєнням газорозрядних приладів розвивалася теорія перетворення електроенергії. Було розроблено основні типи схем та проведено великі дослідження електромагнітних процесів, що протікають при випрямленні та інвертуванні змінного струму. У цей час з'явилися перші роботи з аналізу схем автономних інверторів. У розвитку теорії іонних перетворювачів велику роль відіграли роботи радянських учених І. Л. Каганова, М. А. Чернишова, Д. А. Завалішина, а також зарубіжних: К. Мюллер-Любека, М. Демонтвінье, В. Шилінга та ін.

Новий етап у розвитку перетворювальної техніки розпочався з кінця 50-х років, коли з'явилися потужні напівпровідникові прилади – діоди та тиристори. Ці прилади, розроблені на основі кремнію, за своїм технічним характеристикамнабагато перевершують газорозрядні прилади. Вони мають малими габаритами і масою, мають високе значення ККД, мають швидкодію і підвищену надійність при роботі в широкому температурному діапазоні.

Використання силових напівпровідникових приладів суттєво вплинуло на розвиток силової електроніки. Вони стали основою розробки високоефективних перетворювальних пристроїв всіх типів. У цих розробках було прийнято багато принципово нових схемотехнічних і конструктивних рішень. Освоєння промисловістю силових напівпровідникових пристроїв електроенергії інтенсифікувало проведення у цій галузі науково-дослідних робіт та створення нових технологій. З урахуванням специфіки силових напівпровідникових приладів було уточнено старі та розроблено нові методи аналізу схем. Значно розширилися класи схем автономних інверторів, перетворювачів частоти, регуляторів постійного струму та багато інших, а також з'явилися нові види пристроїв силової електроніки-статичні контактори з природною та штучною комутацією, тиристорні компенсатори реактивної потужності, швидкодіючі апарати захисту з обмежувачами напруги та ін.

Однією з основних областей ефективного використання силової електроніки став електропривод. Для електроприводу постійного струму розроблені тиристорні агрегати та комплектні пристрої, які успішно використовуються в металургії, верстатобудуванні, на транспорті та інших галузях промисловості. Освоєння тиристорів зумовило значний прогрес у галузі регульованого електроприводу змінного струму.

Створені високоефективні пристрої, що перетворюють струм промислової частоти змінний струм регульованої частоти для управління швидкістю електродвигунів. Для різних областей техніки розроблено багато типів перетворювачів частоти із стабілізованими вихідними параметрами. Зокрема, для індукційного нагрівання металу створено високочастотні потужні тиристорні агрегати, що дають великий техніко-економічний ефект за рахунок збільшення ресурсу їхньої роботи порівняно з електромашинними агрегатами.

На основі впровадження напівпровідникових перетворювачів було проведено реконструкцію електричних підстанцій для рухомого електротранспорту. Значно покращено якість деяких технологічних процесівв електрометалургійній та хімічній галузях промисловості за рахунок впровадження випрямляльних агрегатів з глибоким регулюванням вихідної напруги та струму.

Переваги напівпровідникових перетворювачів визначили їх широке застосування в системах безперебійного електропостачання. Розширилася сфера застосування силових електронних пристроїв у сфері побутової електроніки (регулятори напруги та ін.).

З початку 80-х років, завдяки інтенсивному розвитку електроніки, починається створення нового покоління виробів "силової електроніки. Базою для нього з'явилися розробка і освоєння промисловістю нових типів силових напівпровідникових приладів: тиристорів, що замикаються, біполярних транзисторів, МОП-транзисторів та ін. Одночасно істотно підвищилися швидкодія напівпровідникових приладів, значення граничних параметрів діодів та тиристорів, розвинулися інтегральні та гібридні технології виготовлення напівпровідникових приладів різних типів, почала широко впроваджуватись мікропроцесорна техніка для управління та контролю перетворювальними пристроями.

Використання нової елементної базидозволило принципово покращити такі найважливіші техніко-економічні показники, як ККД, питомі значення маси та обсягу, надійність, якість вихідних параметрів та ін. Визначилася тенденція підвищення частоти перетворення електроенергії. В даний час розроблено мініатюрні вторинні джерела живлення малої та середньої потужності з проміжним перетворенням електроенергії на частотах надзвукового діапазону. Освоєння високочастотного (понад 1 мГц) діапазону призвело до необхідності вирішення комплексу науково-технічних проблем щодо конструювання перетворювальних пристроїв та забезпечення їхньої електромагнітної сумісності у складі технічних систем. Отриманий рахунок переходу на підвищені частоти техніко-економічний ефект повністю компенсував витрати на вирішення цих завдань. Тому в даний час тенденція створення багатьох типів перетворювальних пристроїв із проміжною високочастотною ланкою зберігається.

Слід зазначити, що використання повністю керованих напівпровідникових швидкодіючих приладів у традиційних схемах істотно розширює їх можливості в забезпеченні нових режимів роботи і, отже, нових функціональних властивостей виробів силової електронної техніки.

Published Date: 12.10.2017

А ви знаєте основи силової електроніки?

Концепція силової електроніки

Силова електроніка- Одна з сучасних тем електротехніки, яка в Останнім часомдосягла великих успіхів і вплинула на життя людини практично у всіх сферах. Ми самі використовуємо так багато силових електронних додатків у нашому повсякденному житті, навіть не усвідомлюючи цього. Тепер виникає запитання: Що таке силова електроніка?

Ми можемо визначити силову електроніку як предмет, який є гібридом енергетики, аналогової електроніки, напівпровідникових приладів і систем управління. Ми започатковуємо основи кожного суб'єкта і застосовуємо його в об'єднаній формі, щоб отримати регульовану форму електричної енергії. Електрична енергія сама по собі не застосовна доти, поки вона не перетвориться на відчутну форму енергії, таку як рух, світло, звук, тепло і т. д. Щоб регулювати ці форми енергії, ефективним способомє регулювання самої електричної енергії, і ці форми містять суб'єктну силову електроніку.

Ми можемо простежити значний поступ у цьому питанні до розробки комерційних тиристорів або кремнієвих випрямлячів (SCR) компанії General Electric Co. 1958 року. До цього контроль над електричною енергією здійснювався головним чином із використанням тиратронів та випрямлячів ртутної дуги, які працюють на принцип фізичних явищ у газах та парах. Після SCR з'явилося багато потужних електронних пристроїв, таких як GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT, IGCT тощо. Ці пристрої розраховані на кілька сотень вольт та ампер на відміну від пристроїв рівня сигналу, що працюють на кількох вольтах та амперах.

Для досягнення мети силової електроніки пристрою працюють не більше ніж перемикач. Усі силові електронні пристрої діють як перемикач та мають два режими, тобто ON та OFF. Наприклад, BJT (Bipolar Junction Transistor) має три області роботи у відключених характеристиках вихідних характеристик, активних та насичених. В аналоговій електроніці, де BJT повинен працювати як підсилювач, схема сконструйована таким чином, щоб зміщувати її в активну сферу роботи. Однак у силовій електроніці BJT буде працювати в області відсікання, коли він вимкнений, і в області насичення, коли він увімкнений. Тепер, коли пристрої повинні працювати як комутатор, вони повинні дотримуватися основної характеристики комутатора, тобто коли перемикач включений, він має нульове падіння напруги на ньому і передає через нього повний струм, а коли він перебуває в стані ВИМК, він має повне падіння напруги на ньому і нульовий струм, що протікає через нього.

Тепер, оскільки в обох режимах величина V або I дорівнює нулю, потужність перемикача завжди дорівнює нулю. Ця характеристика легко візуалізується в механічному перемикачі, і те саме необхідно дотримуватися і в силовому електронному перемикачі. Проте завжди існує струм витоку через пристрої, що він перебуває у стані ВИКЛ, тобто. Ileakage ≠ 0, і завжди є перепад напруги в стані ВКЛ, тобто Von ≠ 0. Однак величина Von або Ileakage дуже менша, і, отже, потужність через пристрій також дуже мала, в порядку кількох мілівольт. Ця потужність розсіюється у пристрої, тому належна евакуація тепла з пристрою є важливим аспектом. Крім цих втрат стану та стану OFF, є також втрати перемикання в силових електронних пристроях. Це відбувається головним чином, коли комутатор перемикається з одного режиму до іншого, а V і I через пристрій змінюються. У силовій електроніці обидва втрати є важливими параметрами будь-якого пристрою і необхідні визначення його номінальних значень напруги і струму.

Тільки силові електронні пристрої не так корисні практичних застосуванняхі тому вимагають розробки з ланцюгом разом з іншими компонентами, що підтримують. Ці компоненти, що підтримують, схожі на частину прийняття рішення, яка керує силовими електронними перемикачами для досягнення бажаного результату. Це включає схему випалу і ланцюг зворотнього зв'язку. На нижченаведеній блок-схемі показана проста силова електронна система.

Блок управління приймає вихідні сигнали від датчиків і порівнює їх з посиланнями і вводить вхідний сигнал в схему випалу. Схема випалу в основному є схемою генерації імпульсів, яка дає імпульсний вихід таким чином, щоб керувати силовими електронними перемикачами в блоці головного ланцюга. Кінцевим результатом є те, що навантаження отримує необхідне електричну потужністьі, отже, забезпечує бажаний результат. Типовим прикладом вищезгаданої системи було б керування швидкістю двигунів.

В основному існує п'ять типів силових електронних схем, кожен із яких має різні цільові функції:

1. Випрямлячі — перетворює фіксований змінний струм на змінний DC
2. Чоппери - перетворює постійний постійний струму змінний DC
3. Інвертори - перетворять постійний струм на змінний струм зі змінною амплітудою і змінною частотою
4. Контролери напруги змінного струму - перетворять фіксований змінний струм на змінний струм на однаковій вхідній частоті
5. Cycloconverters — перетворює фіксований змінний струм на змінний струм зі змінною частотою

Існує загальна помилка щодо терміну перетворювача. Конвертер - це в принципі будь-яка схема, яка перетворює електроенергію з однієї форми на іншу. Отже, всі ці п'ять є типами перетворювачів.