Τι είναι τα ηλεκτρονικά ισχύος
Σε αυτό το άρθρο θα μιλήσουμε για ηλεκτρονικά ισχύος. Τι είναι τα ηλεκτρονικά ισχύος, σε τι βασίζεται, ποια είναι τα πλεονεκτήματα και ποιες οι προοπτικές του; Ας σταθούμε στα εξαρτήματα των ηλεκτρονικών ισχύος, εξετάστε εν συντομία τι είναι, πώς διαφέρουν μεταξύ τους και για ποιες εφαρμογές είναι κατάλληλοι αυτοί ή εκείνοι οι τύποι διακοπτών ημιαγωγών. Ακολουθούν παραδείγματα ηλεκτρονικών συσκευών ισχύος που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή, στην κατασκευή και στην καθημερινή ζωή.
Τα τελευταία χρόνια, οι ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος έχουν κάνει μια σημαντική τεχνολογική ανακάλυψη στη διατήρηση της ενέργειας. Οι συσκευές ημιαγωγών ισχύος, λόγω της ευέλικτης δυνατότητας ελέγχου τους, επιτρέπουν την αποτελεσματική μετατροπή της ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σημερινές μετρήσεις βάρους και μεγέθους και απόδοσης έχουν ήδη φέρει τους μετατροπείς σε ένα ποιοτικά νέο επίπεδο.
Πολλές βιομηχανίες χρησιμοποιούν μαλακούς εκκινητές, ελεγκτές ταχύτητας, αδιάλειπτα τροφοδοτικά, λειτουργούν σε σύγχρονη βάση ημιαγωγών και παρουσιάζουν υψηλή απόδοση. Είναι όλα ηλεκτρονικά ισχύος.
Ο έλεγχος της ροής ηλεκτρικής ενέργειας στα ηλεκτρονικά ισχύος πραγματοποιείται με τη βοήθεια διακοπτών ημιαγωγών, οι οποίοι αντικαθιστούν μηχανικούς διακόπτες και οι οποίοι μπορούν να ελεγχθούν σύμφωνα με τον απαραίτητο αλγόριθμο για να ληφθεί η απαιτούμενη μέση ισχύς και η ακριβής δράση του σώματος εργασίας αυτού ή του άλλου εξοπλισμός.
Έτσι, τα ηλεκτρονικά ισχύος χρησιμοποιούνται στις μεταφορές, στη βιομηχανία εξόρυξης, στον τομέα των επικοινωνιών, σε πολλές βιομηχανίες και σήμερα καμία ισχυρή οικιακή συσκευή δεν μπορεί να κάνει χωρίς ηλεκτρονικές μονάδες ισχύος που περιλαμβάνονται στο σχεδιασμό της.
Τα βασικά δομικά στοιχεία των ηλεκτρονικών ισχύος είναι ακριβώς τα βασικά εξαρτήματα ημιαγωγών που μπορούν να ανοίξουν και να κλείσουν ένα κύκλωμα σε διάφορες ταχύτητες, έως και megahertz. Στην κατάσταση ενεργοποίησης, η αντίσταση του διακόπτη είναι μονάδες και κλάσματα ohms, και στην κατάσταση απενεργοποίησης, megohms.
Η διαχείριση κλειδιού δεν απαιτεί μεγάλη ισχύ και οι απώλειες στο κλειδί που σημειώθηκαν κατά τη διαδικασία μεταγωγής, με ένα καλά σχεδιασμένο πρόγραμμα οδήγησης, δεν υπερβαίνουν το ένα τοις εκατό. Για το λόγο αυτό, η απόδοση των ηλεκτρονικών ισχύος είναι υψηλή σε σύγκριση με τις θέσεις απώλειας σιδήρου μετασχηματιστών και μηχανικών διακοπτών όπως τα συμβατικά ρελέ.
Οι ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος είναι συσκευές όπου το ενεργό ρεύμα είναι μεγαλύτερο ή ίσο με 10 αμπέρ. Σε αυτήν την περίπτωση, τα βασικά στοιχεία ημιαγωγών μπορεί να είναι: διπολικά τρανζίστορ, τρανζίστορ πεδίου, τρανζίστορ IGBT, θυρίστορ, τριάκ, θυρίστορ κλειδώματος και θυρίστορ κλειδώματος με ενσωματωμένο έλεγχο.
Η χαμηλή ισχύς ελέγχου σας επιτρέπει επίσης να δημιουργήσετε μικροκυκλώματα ισχύος στα οποία συνδυάζονται πολλά μπλοκ ταυτόχρονα: ο ίδιος ο διακόπτης, το κύκλωμα ελέγχου και το κύκλωμα ελέγχου, αυτά είναι τα λεγόμενα έξυπνα κυκλώματα.
Αυτά τα ηλεκτρονικά δομικά στοιχεία χρησιμοποιούνται τόσο σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις υψηλής ισχύος όσο και σε οικιακές ηλεκτρικές συσκευές. Ένας επαγωγικός φούρνος για μερικά μεγαβάτ ή ένας οικιακός ατμόπλοιο για λίγα κιλοβάτ—και οι δύο διαθέτουν διακόπτες ισχύος στερεάς κατάστασης που λειτουργούν απλώς σε διαφορετικά βατ.
Έτσι, τα θυρίστορ ισχύος λειτουργούν σε μετατροπείς με χωρητικότητα μεγαλύτερη από 1 MVA, σε κυκλώματα ηλεκτροκινητήρων με συνεχές ρεύμα και εναλλασσόμενο ρεύμα με υψηλή τάση, χρησιμοποιούνται σε εγκαταστάσεις αντιστάθμισης άεργου ισχύος, σε εγκαταστάσεις επαγωγικής τήξης.
Τα θυρίστορ κλειδώματος ελέγχονται πιο ευέλικτα, χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο συμπιεστών, ανεμιστήρων, αντλιών χωρητικότητας εκατοντάδων kVA και η δυνητική ισχύς μεταγωγής υπερβαίνει τα 3 MVA. Τρανζίστορ IGBT επιτρέπουν την ανάπτυξη μετατροπέων χωρητικότητας έως και μονάδων MVA για διάφορους σκοπούς, τόσο για έλεγχο κινητήρα όσο και για παροχή συνεχούς τροφοδοσίας και μεταγωγής υψηλών ρευμάτων σε πολλές στατικές εγκαταστάσεις.
Τα MOSFET έχουν εξαιρετική δυνατότητα ελέγχου σε συχνότητες εκατοντάδων kilohertz, γεγονός που διευρύνει σημαντικά το εύρος εφαρμογής τους σε σύγκριση με τα IGBT.
Τα Triac είναι βέλτιστα για την εκκίνηση και τον έλεγχο κινητήρων AC, μπορούν να λειτουργήσουν σε συχνότητες έως και 50 kHz και απαιτούν λιγότερη ενέργεια για έλεγχο από τα τρανζίστορ IGBT.
Σήμερα, τα IGBT έχουν μέγιστη τάση μεταγωγής 3500 βολτ και πιθανώς 7000 βολτ.Αυτά τα εξαρτήματα ενδέχεται να αντικαταστήσουν τα διπολικά τρανζίστορ τα επόμενα χρόνια και θα χρησιμοποιηθούν σε εξοπλισμό έως και μονάδες MVA. Για μετατροπείς χαμηλής ισχύος, τα MOSFET θα παραμείνουν πιο αποδεκτά και για περισσότερα από 3 MVA - θυρίστορ κλειδώματος.
Σύμφωνα με τις προβλέψεις των αναλυτών, οι περισσότεροι ημιαγωγοί στο μέλλον θα έχουν αρθρωτό σχεδιασμό, όπου δύο έως έξι βασικά στοιχεία θα βρίσκονται σε ένα πακέτο. Η χρήση μονάδων σας επιτρέπει να μειώσετε το βάρος, το μέγεθος και το κόστος του εξοπλισμού στον οποίο θα χρησιμοποιηθούν.
Για τα τρανζίστορ IGBT, η πρόοδος θα είναι η αύξηση των ρευμάτων έως 2 kA σε τάσεις έως 3,5 kV και η αύξηση των συχνοτήτων λειτουργίας έως τα 70 kHz με απλοποιημένα σχήματα ελέγχου. Μια μονάδα μπορεί να περιέχει όχι μόνο διακόπτες και ανορθωτή, αλλά και κυκλώματα οδήγησης και ενεργής προστασίας.
Τρανζίστορ, δίοδοι, θυρίστορ που κατασκευάστηκαν τα τελευταία χρόνια έχουν ήδη βελτιώσει σημαντικά τις παραμέτρους τους, όπως ρεύμα, τάση, ταχύτητα και η πρόοδος δεν σταματά.
Για καλύτερη μετατροπή του εναλλασσόμενου ρεύματος σε συνεχές ρεύμα, χρησιμοποιούνται ελεγχόμενοι ανορθωτές, οι οποίοι επιτρέπουν την ομαλή αλλαγή της ανορθωμένης τάσης στην περιοχή από το μηδέν έως την ονομαστική.
Σήμερα, στα συστήματα διέγερσης ηλεκτροκίνησης συνεχούς ρεύματος, τα θυρίστορ χρησιμοποιούνται κυρίως σε σύγχρονους κινητήρες. Τα διπλά θυρίστορ — triacs — έχουν μόνο ένα ηλεκτρόδιο πύλης για δύο συνδεδεμένα αντιπαράλληλα θυρίστορ, γεγονός που κάνει τον έλεγχο ακόμα πιο εύκολο.
Για την εκτέλεση της αντίστροφης διαδικασίας, χρησιμοποιείται η μετατροπή της άμεσης τάσης σε εναλλασσόμενη τάση μετατροπείς… Οι ανεξάρτητοι μετατροπείς διακόπτη ημιαγωγών δίνουν συχνότητα εξόδου, σχήμα και πλάτος που καθορίζεται από το ηλεκτρονικό κύκλωμα και όχι από το δίκτυο. Οι μετατροπείς κατασκευάζονται με βάση διαφορετικούς τύπους βασικών στοιχείων, αλλά για μεγάλες ισχύς, πάνω από 1 MVA, και πάλι, οι μετατροπείς τρανζίστορ IGBT βγαίνουν στην κορυφή.
Σε αντίθεση με τα θυρίστορ, τα IGBT παρέχουν μια ευρύτερη και ακριβέστερη διαμόρφωση του ρεύματος και της τάσης εξόδου. Οι μετατροπείς αυτοκινήτων χαμηλής ισχύος χρησιμοποιούν τρανζίστορ πεδίου στην εργασία τους, τα οποία σε ισχύ έως 3 kW κάνουν εξαιρετική δουλειά μετατρέποντας το συνεχές ρεύμα μιας μπαταρίας 12 volt, πρώτα σε συνεχές ρεύμα, μέσω ενός μετατροπέα παλμών υψηλής συχνότητας που λειτουργεί σε συχνότητα 50 kHz έως εκατοντάδες kilohertz, μετά σε εναλλασσόμενα 50 ή 60 Hz.
Για να μετατρέψετε ένα ρεύμα μιας συχνότητας σε ρεύμα άλλης συχνότητας, χρησιμοποιήστε το μετατροπείς συχνότητας ημιαγωγών… Παλαιότερα, αυτό γινόταν αποκλειστικά με βάση θυρίστορ, τα οποία δεν είχαν πλήρη έλεγχο. ήταν απαραίτητο να αναπτυχθούν πολύπλοκα σχήματα για αναγκαστικό κλείδωμα θυρίστορ.
Η χρήση διακοπτών όπως MOSFET και IGBT διευκολύνει το σχεδιασμό και την υλοποίηση μετατροπέων συχνότητας και μπορεί να προβλεφθεί ότι τα θυρίστορ, ειδικά σε συσκευές χαμηλής ισχύος, θα εγκαταλειφθούν υπέρ των τρανζίστορ στο μέλλον.
Τα θυρίστορ εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται για την αντιστροφή ηλεκτρικών κινήσεων. αρκεί να υπάρχουν δύο σετ μετατροπέων θυρίστορ για να παρέχουν δύο διαφορετικές κατευθύνσεις ρεύματος χωρίς να απαιτείται εναλλαγή. Έτσι λειτουργούν οι σύγχρονοι αναστρέψιμοι εκκινητές χωρίς επαφή.
Ελπίζουμε ότι το σύντομο άρθρο μας ήταν χρήσιμο για εσάς και τώρα ξέρετε τι είναι τα ηλεκτρονικά ισχύος, ποια στοιχεία ηλεκτρονικών ισχύος χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές συσκευές ισχύος και πόσο μεγάλες είναι οι δυνατότητες των ηλεκτρονικών ισχύος για το μέλλον μας.