מהי אלקטרוניקת כוח

במאמר זה נדבר על אלקטרוניקת כוח. מהי אלקטרוניקת כוח, על מה היא מבוססת, מהם היתרונות ומהם הסיכויים שלה? הבה נתעכב על מרכיבי האלקטרוניקה הכוחנית, נשקול בקצרה מה הם, כיצד הם שונים זה מזה ולאילו יישומים מתאימים אלו או סוגים אלה של מתגים מוליכים למחצה. להלן דוגמאות למכשירי חשמל בשימוש בחיי היומיום, בייצור ובחיי היומיום.

בשנים האחרונות, מכשירי חשמל עשו פריצת דרך טכנולוגית גדולה בחיסכון באנרגיה. התקני מוליכים למחצה כוח, בשל יכולת השליטה הגמישה שלהם, מאפשרים המרה יעילה של חשמל. מדדי המשקל והגודל והיעילות של היום כבר הביאו את הממירים לרמה חדשה מבחינה איכותית.

תעשיות רבות משתמשות במתחילים רכים, בקרי מהירות, בספקי כוח אל פסק, הפועלים על בסיס מוליכים למחצה מודרניים ומפגינים יעילות גבוהה. זה הכל אלקטרוניקה כוח.

בקרת זרימת האנרגיה החשמלית באלקטרוניקה הכוח מתבצעת בעזרת מתגים מוליכים למחצה, המחליפים מתגים מכניים ואשר ניתנים לשליטה על פי האלגוריתם הדרוש להשגת ההספק הממוצע הנדרש והפעולה המדויקת של גוף העבודה של זה או אחר צִיוּד.

אז, אלקטרוניקה כוח משמשת בתחבורה, בתעשיית הכרייה, בתחום התקשורת, בתעשיות רבות, וכיום אף מכשיר ביתי חזק אחד לא יכול להסתדר בלי יחידות חשמל הכלולות בתכנון שלו.

אבני הבניין הבסיסיות של אלקטרוניקת הספק הם בדיוק מרכיבי המפתח של המוליכים למחצה שיכולים לפתוח ולסגור מעגל במהירויות שונות, עד מגה-הרץ. במצב מופעל, ההתנגדות של המתג היא יחידות ושברים של אוהם, ובמצב כבוי, מגאוהם.

ניהול מפתחות אינו דורש כוח רב, וההפסדים במפתח התרחשו במהלך תהליך המעבר, עם דרייבר מתוכנן היטב, אינם עולים על אחוז אחד. מסיבה זו, היעילות של אלקטרוניקת כוח גבוהה בהשוואה למצבי האובדן של שנאי ברזל ומתגים מכניים כגון ממסרים קונבנציונליים.

מכשירי חשמל הם מכשירים שבהם הזרם האפקטיבי גדול או שווה ל-10 אמפר. במקרה זה, מרכיבי המוליכים למחצה העיקריים יכולים להיות: טרנזיסטורים דו-קוטביים, טרנזיסטורי אפקט שדה, טרנזיסטורי IGBT, תיריסטורים, טריאקים, תיריסטורים נעולים ותיריסטורים נעולים עם בקרה משולבת.

עוצמת שליטה נמוכה מאפשרת גם ליצור מיקרו-מעגלי כוח שבהם משולבים מספר בלוקים בבת אחת: המתג עצמו, מעגל הבקרה ומעגל הבקרה, אלו הם מה שנקרא מעגלים חכמים.

אבני בניין אלקטרוניות אלו משמשות הן במתקנים תעשייתיים בהספק גבוה והן במכשירי חשמל ביתיים. תנור אינדוקציה לכמה מגה וואט או ספינת קיטור ביתית בכמה קילוואט - לשניהם מתגי כוח במצב מוצק שפשוט פועלים בהספקים שונים.

לפיכך, תיריסטורי כוח פועלים בממירים בעלי קיבולת של יותר מ-1 MVA, במעגלים של כוננים חשמליים עם זרם ישר וזרם חילופין עם מתח גבוה, משמשים במתקנים לפיצוי הספק תגובתי, במתקנים להתכת אינדוקציה.

תיריסטורים נעילה נשלטים בצורה גמישה יותר, הם משמשים לשליטה על מדחסים, מאווררים, משאבות בעלות קיבולת של מאות kVA, והספק המיתוג הפוטנציאלי עולה על 3 MVA. טרנזיסטורי IGBT מאפשרים פריסה של ממירים בעלי קיבולת של עד יחידות MVA למטרות שונות, הן עבור בקרת מנוע והן עבור אספקת חשמל רציפה ומיתוג של זרמים גבוהים במתקנים סטטיים רבים.

ל-MOSFETs יש יכולת שליטה מצוינת בתדרים של מאות קילו-הרץ, מה שמרחיב מאוד את טווח הישימות שלהם בהשוואה ל-IGBTs.

Triacs הם אופטימליים להתנעה ולשליטה במנועי AC, הם יכולים לפעול בתדרים של עד 50 קילו-הרץ, ודורשים פחות אנרגיה לשליטה מאשר טרנזיסטורי IGBT.

כיום, למכשירי IGBT יש מתח מיתוג מרבי של 3500 וולט ופוטנציאל 7000 וולט.רכיבים אלו עשויים להחליף טרנזיסטורים דו-קוטביים בשנים הקרובות וישמשו בציוד עד יחידות MVA. עבור ממירי הספק נמוך, MOSFETs יישארו מקובלים יותר, ועבור יותר מ-3 MVA - תיריסטורים נעולים.

לפי תחזיות האנליסטים, רוב המוליכים למחצה בעתיד יהיו בעלי עיצוב מודולרי, שבו שניים עד שישה אלמנטים מרכזיים ממוקמים בחבילה אחת. השימוש במודולים מאפשר לך להפחית את המשקל, הגודל והעלות של הציוד שבו הם ישמשו.

עבור טרנזיסטורי IGBT, ההתקדמות תהיה עלייה בזרמים של עד 2 kA במתחים של עד 3.5 קילו וולט ועלייה בתדרי ההפעלה עד 70 קילו-הרץ עם תוכניות בקרה מפושטות. מודול יכול להכיל לא רק מתגים ומיישר, אלא גם דרייבר ומעגלי הגנה פעילים.

טרנזיסטורים, דיודות, תיריסטורים שיוצרו בשנים האחרונות כבר שיפרו משמעותית את הפרמטרים שלהם, כגון זרם, מתח, מהירות והתקדמות לא עומדת במקום.

להמרה טובה יותר של זרם חילופין לזרם ישר, משתמשים במיישרים מבוקרים, המאפשרים שינוי חלק של המתח המיושר בטווח מאפס לנומינלי.

כיום, במערכות עירור כונן חשמלי DC, תיריסטורים משמשים בעיקר במנועים סינכרוניים. תיריסטורים כפולים - טריאקים - יש רק אלקטרודת שער אחת עבור שני תיריסטורים אנטי מקבילים מחוברים, מה שמקל על השליטה אפילו יותר.

כדי לבצע את התהליך ההפוך, נעשה שימוש בהמרה של מתח ישר למתח חילופין ממירים... ממירי מתג מוליכים למחצה עצמאיים נותנים תדר פלט, צורה ומשרעת שנקבעים על ידי המעגל האלקטרוני, לא על ידי הרשת. ממירים מיוצרים על בסיס סוגים שונים של אלמנטים מרכזיים, אבל עבור הספקים גדולים, יותר מ-1 MVA, שוב, ממירי טרנזיסטור IGBT יוצאים בראש.

שלא כמו תיריסטורים, IGBTs מספקים עיצוב רחב ומדויק יותר של זרם המוצא והמתח. ממירי רכב בעלי הספק נמוך משתמשים בטרנזיסטורי אפקט שדה בעבודתם, אשר בהספקים של עד 3 קילוואט עושים עבודה מצוינת בהמרת הזרם הישר של סוללת 12 וולט, תחילה לזרם ישר, באמצעות ממיר דופק בתדר גבוה הפועל בתדר של 50 קילו-הרץ עד מאות קילו-הרץ, ואז ב-50 או 60 הרץ לסירוגין.

כדי להמיר זרם בתדר אחד לזרם בתדר אחר, השתמש ממירי תדר מוליכים למחצה… בעבר, זה נעשה אך ורק על בסיס תיריסטורים, שלא היו בעלי יכולת שליטה מלאה; היה צורך לפתח תוכניות מורכבות לנעילה כפויה של תיריסטורים.

השימוש במתגים כגון MOSFETs עם אפקט שדה ו-IGBT מקל על התכנון והיישום של ממירי תדרים, וניתן לחזות כי תיריסטורים, במיוחד במכשירים בעלי הספק נמוך, יינטשו לטובת טרנזיסטורים בעתיד.

תיריסטורים עדיין משמשים להיפוך כוננים חשמליים; די בשתי סטים של ממירי תיריסטורים כדי לספק שני כיווני זרם שונים ללא צורך במיתוג. כך פועלים סטרטרים הפיכים מודרניים ללא מגע.

אנו מקווים שהמאמר הקצר שלנו היה שימושי עבורך ועכשיו אתה יודע מהי אלקטרוניקת הספק, באילו אלמנטים אלקטרוניים כוח משמשים במכשירי חשמל וכמה גדול הפוטנציאל של אלקטרוניקת כוח לעתיד שלנו.