Energoelektronika

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Przekształcanie energii elektrycznej ze względu na cele.
Miejsce energoelektroniki w elektroenergetyce.

Energoelektronika lub też elektronika przemysłowa (elektronika mocy, elektronika siłowa), odrębna gałąź elektroniki zajmująca się zastosowaniem układów elektronicznych dużej mocy (przekształtników energoelektronicznych), głównie znajduje zastosowanie w układach napędowych o regulowanej prędkości obrotowej.

Wstęp[edytuj | edytuj kod]

Energoelektronika jest działem elektroniki przemysłowej obejmującym analizę, projektowanie, sterowanie, wytwarzanie i zastosowania przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy oraz układów energoelektronicznych.

Układ energoelektroniczny składa się z

  • jednego lub kilku tzw. przekształtników energoelektronicznych, oraz z
  • układu sterującego (mikrokontroler, DSP, FPGA, w bardzo prostych przypadkach układem sterującym może być bardzo prosty układ cyfrowy zbudowany na bramkach logicznych lub uniwersalny timer).

Dzięki zastosowaniu mikrokontrolerów możliwe jest zastosowanie skomplikowanych algorytmów sterowania przekształtnikami. Układ sterujący wypracowuje sygnał sterujący na podstawie danych z czujników pomiarowych i wykonując obliczenia w czasie rzeczywistym. Jest to szczególnie przydatne w nowoczesnych układach napędowych, gdzie występują zjawiska o bardzo małych stałych czasowych. Zastosowanie szybkich procesorów sygnałowych DSP albo układów programowalnych FPGA daje możliwość implementacji niezwykle złożonych algorytmów umożliwiających eliminację czujników pomiarowych z układu sterowania, ale kosztem bardziej skomplikowanych obliczeń.

Podstawowe typy przekształtników energoelektronicznych[edytuj | edytuj kod]

Obecnie stosuje się następujące rodzaje przekształtników energoelektronicznych:

  • prostowniki (układy ac/dc)
  • choppery (przetwornice dc/dc) - układy energoelektroniczne zmieniające wartość napięcia stałego.
  • falowniki (układy dc/ac)
  • cyklokonwertory (układy ac/ac)

Historia energoelektroniki[edytuj | edytuj kod]

Energoelektronika jest częścią elektrotechniki o znacznie krótszej historii. Za jej początek można uznać przełom XIX i XX wieku. Największe znaczenie w początkowym rozwoju energoelektroniki miały:

Wynalezienie tranzystora w 1948 roku , zapoczątkowało nowy okres w rozwoju energoelektroniki. Jest nim aż do chwili obecnej energoelektronika półprzewodnikowa. Od tego czasu opracowano wiele nowych elementów półprzewodnikowych, uległy również znacznemu zwiększeniu ich zakresy prądowe i napięciowe. Jest to proces ciągły i również w chwili obecnej nastepuje szybki rozwój tej dziedziny techniki.

Współczesna energoelektronika powstała około 30 - 40 lat temu i początkowo była związana jedynie ze sterowaniem pracą silników elektrycznych. Pierwsze przekształtniki były zbudowane z tyrystorów mocy, które wymagały dużego impulsu prądowego, jako sygnału sterującego i mogły pracować jedynie w niewielkim zakresie częstotliwości (rzędu kHz). Ostatnie trzydzieści lat stanowi okres wielkiego rozwoju energoelektroniki. Stało się to dzięki rozwojowi techniki mikroprocesorowej, oraz półprzewodnikowych przyrządów mocy.

Dla rozwoju samych przekształtników największe znaczenie miało wynalezienie półprzewodnikowych elementów mocy a w tym głównie tranzystora IGBT, który łączy w sobie zalety dynamiki tranzystora bipolarnego, oraz napięciowe sterowanie tranzystora MOS przy czym napięcie na tranzystorze IGBT ma wartość stałą (kilka V) dzięki czemu mamy do czynienia z mniejszymi stratami łączeniowymi niż w przypadku tranzystorów MOS. Tranzystory IGBT mogą pracować przy częstotliwości rzędu dziesiątek kHz. Dzięki temu można znacznie zmniejszyć gabaryty transformatorów stosowanych w przekształtnikach, zmniejszyć straty łączeniowe a także ustawić częstotliwość łączeń powyżej pasma akustycznego dla uniknięcia kłopotliwych i nieprzyjaznych dźwięków towarzyszących pracy dawniej budowanych układów.

Kalendarium historii energoelektroniki półprzewodnikowej:

Obecnie rozwój przekształtników energoelektronicznych przemieszcza się w kierunku stosowania tranzystorów wykonanych z węglika krzemu SiC, które mogą pracować w temperaturach rzędu kilkuset stopni Celsjusza podczas, gdy tranzystory krzemowe jedynie około 100 °C. Pozwoli to na uzyskanie jeszcze większych gęstości przenoszonych energii.

Normalizacja w energoelektronice[edytuj | edytuj kod]

Stan normalizacji w Polsce[edytuj | edytuj kod]

Normalizacja dotycząca przyrządów półprzewodnikowych mocy i urządzeń energoelektronicznych do końca 1993 r. prowadzona była przez Komisję Przekształtników Energetycznych przy Instytucie Elektrotechniki, a normy były ustanawiane przez Polski Komitet Normalizacji, Jakości i Miar (PKNiM). Od 1994 prace nad tym prowadzi Normalizacyjna Komisja ds. Energoelektroniki Polskiej Komitetu Normalizacji. Do 1994 zostały ustanowione i obecnie obowiązują następujące normy:

1. W zakresie przyrządów półprzewodnikowych:

  • PN-83/E-82050.00 Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Ogólne wymagania i badania.[1]
  • PN-82/E-82050.01 Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Nazwy, określenia i oznaczenia literowe parametrów.
  • PN-83/E82050.02 Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Parametry graniczne i charakterystyki.
  • PN-83/E82050.03 Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Badania elektryczne.
  • PN-87/T-01101 Półprzewodnikowe przyrządy mocy. Badania mechaniczne i klimatyczne.
  • PN-88/T-01102 Przyrządy półprzewodnikowe i układy scalone.
  • PN-92/T-01104 Półprzewodnikowe przyrządy. Przyrządy dyskretne i układy scalone. Postanowienia ogólne.
  • PN-90/T-01104 i PN-90/T-01105 Zasady proceduralne systemu IEC zapewnienia jakości podzespołów elektronicznych (IEC Q).
  • PN-88/T-01201 Półprzewodnikowe przyrządy. Przyrządy dyskretne i układy scalone. Część ogólna.
  • PN-88/T-01202 Półprzewodnikowe przyrządy. Diody prostownicze.

2. W zakresie układów energoelektronicznych:

  • PN-75/E-06073 Przekształtniki półprzewodnikowe z komutacją zewnętrzną. Ogólne wymagania i badania.
  • PN-75/E-06074 Zespoły prostownikowe bezpieczne. Ogólne wymagania i badania.
  • PN-75/E-06074 Tyrystorowe układy napędowe prądu stałego. Ogólne wymagania i badania.

Normy uzgodnione i przygotowane do ustanowienia przez Polski Komitet Normalizacyjny w 1995 r.:

  • PN-IEC 50 (551):1994 Energoelektronika. Terminologia.
  • PN-IEC 146-1-1:1994 Przekształtniki półprzewodnikowe. Przekształtniki o komutacji sieciowe. Wymagania ogólne.
  • PN-IEC 146-1-2:1994 Przekształtniki półprzewodnikowe. Wytyczne sterowania.
  • PN-IEC 146-1-3:1994 Przekształtniki półprzewodnikowe. Transformatory i dławiki.

Stan normalizacji międzynarodowej[edytuj | edytuj kod]

Opracowaniem zaleceń normalizacyjnych dotyczących przyrządów półprzewodnikowych mocy i urządzeń energoelektronicznych zajmują się dwa Komitety Techniczne Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC). Komitet Techniczny TC47 opracowuje głównie zalecenia w zakresie terminologii, określeń, parametrów znamionowych, charakterystyk i metodyki badań przyrządów półprzewodnikowych mocy. W Komitecie Technicznym TC22 są opracowywane zalecenia normalizacyjne dotyczące przekształtników półprzewodnikowych. Uzgodnione zalecenia normalizacyjne są zawarte m.in. w następujących publikacjach:

  • IEC 146 Terminologia, ogólne wymagania i metody badań przekształtników półprzewodnikowych.
  • IEC 147 Postanowienia ogólne, terminologia, podstawowe wielkości znamionowe, charakterystyki, ogólne metody pomiarowe diod prostowniczych i tyrystorów.
  • IEC 148 Oznaczenia literowe podstawowych parametrów dyskretnych przyrządów półprzewodnikowych.
  • IEC 191 Ogólne postanowienia norm mechanicznych dotyczących półprzewodnikowych przyrządów dyskretnych.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Energoelektronika znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach techniki:

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy

  1. Patent brytyjski 24398.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Tunia Henryk, Winiarski Bolesław: Energoelektronika w pytaniach i odpowiedziach, WNT 1996, ISBN 83-204-1928-X.

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]