тел.: (391) 242-79-14 | эл. почта: info@efre-company.ru


.

О силовой электронике

В современной жизни, пожалуй, нет ни одной области, где бы не использовалась электрическая энергия. На сегодняшний день это самый удобный с точки зрения получения преобразования и транспортировки вид энергии. Единственный существенный недостаток, который пока у нее остается, это то, что системы запасания и хранения электроэнергии являются громоздкими, сложными, дорогими и имеют ограничение по времени на хранение. Так как данный недостаток отсутствует у углеводородных энергоносителей, они приобрели широкое применение для получения механической энергии автомобильного, авиатранспорта и т.д. Однако все эти объекты, так или иначе, нуждаются в электрической энергии, и часть энергии, получаемой в результате сжигания углеводородов, например в двигателе внутреннего сгорания автомобиля, преобразуется при помощи электрогенератора в электрическую. Это обеспечивает необходимое питание всех электронных систем и устройств автомобиля. Как известно, большинство электрических и электронных устройств имеют требования к параметрам питающего напряжения, которые не может обеспечить первичный источник электропитания. Так, например, мы знаем, что бытовая сеть переменного тока не может напрямую подключаться к мобильному телефону, а только через специальное устройство. Так и любой современный электронный прибор: компьютер, телевизор, энергосберегающая лампа, светодиодная лампа содержит промежуточное устройство, включаемое между первичной сетью и непосредственно электронным прибором. Такое устройство называют источником вторичного электропитания или просто блоком питания и очень часто встраивают в прибор, например, в телевизор или стационарный компьютер. В основе современных источников вторичного электропитания лежат преобразователи напряжения, которые представляют собой сложные электронные системы, включающие силовой полупроводниковый модуль схему управления, схему защиты, схему фильтрации импульсных сигналов генерируемых в процессе преобразования. На рис. 1 представлена структурная схема, показывающая область применения преобразователей электроэнергии. Современные преобразователи позволяют получать стабильное постоянное или переменное напряжение независимо от типа первичного источника, каковым может быть промышленная сеть переменного тока, аккумуляторная батарея, ветро- или гидро- энергетическая установка, солнечная батарея, бортовая сеть автомобиля, самолета и т.д.

Структурная схема

Рис. 1. Стуктурная схема: области применения преобразователей электрической энергии.

Основным принципом преобразовательной техники является импульсный способ преобразования электроэнергии, где энергия первичного источника передается в накопитель (низкочастотный фильтр) порциями (импульсами) за счет переключения силовых полупроводниковых транзисторов - ключей. Изменяя параметры импульса, как правило это его длительность, можно регулировать среднее напряжение или ток на выходе источника питания, при этом импульсы генерируются за счет переключения транзисторного ключа или ключей на высокой частоте в десятки и сотни килогерц. Безусловным преимуществом импульсного принципа преобразования электроэнергии является высокий КПД и малая масса таких блоков питания.

В связи с широким кругом задач в электронике и электротехнике, которые сводятся к проектированию источников вторичного электропитания, являющихся неотъемлемой и наиболее важной подсистемой любого электронного устройства, возникло научно-техническое направление - силовая электроника. Это направление, объединяет исследования по теории и практике использования электрических и электромагнитных процессов в силовых, полупроводниковых преобразователях и технических устройствах на их основе и отличается использованием электронных приборов в качестве основных силовых элементов структуры преобразователей.

Эффективность преобразователей электроэнергии может определяться несколькими показателями, указанными на рис. 2. Здесь удельная мощность (мощность преобразователя, отнесенная к его массе) и КПД непосредственно связаны между собой, так как повышение первой возможно только за счет повышения частоты переключений силовых ключей при обеспечении заданного уровня пульсаций выходного напряжения и тока, что приводит к увеличению мощности потерь на переключение электронных ключей и в магнитных цепях фильтров и трансформаторов. Это, в свою очередь, приводит к необходимости введения дополнительных мер по съему тепловой энергии с силовых полупроводниковых компонентов, а значит и увеличению его массы. Динамические показатели эффективности разделены на две составляющие. Электромагнитная совместимость определяется электромагнитными помехами, которые генерируют импульсные элементы преобразователя, и это относится к основным недостаткам импульсных методов преобразования. Качество управления выходной величиной показывает на сколько стабильным будет оставаться выходное напряжение при изменении мощности нагрузки или напряжения первичного источника.

Показатели эффективности

Рис. 2. Показатели эффективности преобразователей электрической энергии.

Повышение всех представленных показателей эффективности является основной целью развития преобразовательной техники и определяет развитие силовой электроники. Достижение данной цели предполагает совершенствование полупроводниковых, магнитных и емкостных элементов преобразователей с одной стороны и разработки новых схеметехнических решений с другой.

Актуальность развития и совершенствования преобразовательной электроники продиктована увеличением спроса различного типа преобразователей напряжения для электропитания цифровых и телекоммуникационных систем, контрольно-измерительной аппаратуры, медицинского и технологического оборудования, систем автоматики и телемеханики, бортового оборудования различных транспортных средств и т.д. Одним из перспективных направлений развития импульсных преобразователей электроэнергии является использование резонансных режимов работы регулирующего элемента - электронного ключа, где коммутация ключевого элемента происходит с минимальными потерями мощности. Это направление является относительно новым с точки зрения промышленного применения и наиболее перспективным. Об этом типе энергопреобразующих устройств мы расскажем в следующих наших статьях.