Electronique de puissance s'appelle le domaine de la science et de la technologie, qui résout le problème de la création de dispositifs électroniques de puissance, ainsi que le problème de l'obtention d'une énergie électrique significative, du contrôle de processus électriques puissants et de la conversion de l'énergie électrique en une énergie suffisamment grande d'un autre type lors de l'utilisation de ces dispositifs comme outil principal.
Ci-dessous sont considérés des dispositifs électroniques de puissance basés sur des dispositifs à semi-conducteurs. Ce sont ces appareils qui sont les plus largement utilisés.
Les cellules solaires décrites ci-dessus sont utilisées pour générer de l'énergie électrique depuis longtemps. À l'heure actuelle, la part de cette énergie dans le volume total d'électricité est faible. Cependant, de nombreux scientifiques, y compris l'académicien lauréat du prix Nobel Zh.I. Alferov, considérez les cellules solaires comme des sources d'énergie électrique très prometteuses qui ne violent pas l'équilibre énergétique sur Terre.
Le contrôle de processus électriques puissants est précisément le problème pour résoudre quels dispositifs à semi-conducteurs de puissance sont déjà très largement utilisés, et l'intensité de leur utilisation augmente rapidement. Cela est dû aux avantages des dispositifs à semi-conducteurs de puissance, dont les principaux sont la vitesse élevée, une faible chute à l'état ouvert et une petite chute à l'état fermé (qui fournit de faibles pertes de puissance), une fiabilité élevée, une capacité de charge de courant et de tension significative , petite taille et poids, facilité d'utilisation, contrôle, unité organique avec des dispositifs à semi-conducteurs d'électronique informative, ce qui facilite l'intégration d'éléments à courant fort et à courant faible.
Dans de nombreux pays, des travaux intensifs de recherche et développement sur l'électronique de puissance ont été lancés et, pour cette raison, les dispositifs à semi-conducteurs de puissance, ainsi que les dispositifs électroniques basés sur eux, sont constamment améliorés. Cela permet une expansion rapide du domaine d'application de l'électronique de puissance, ce qui à son tour stimule la recherche et le développement. On peut parler ici d'un retour positif à l'échelle de tout un champ d'activité humaine. Le résultat est la pénétration rapide de l'électronique de puissance dans une grande variété de domaines techniques.
La prolifération des appareils électroniques de puissance a commencé particulièrement rapidement après le développement des transistors à effet de champ de puissance et des IGBT.
Cela a été précédé par une période assez longue où le dispositif à semi-conducteur de puissance principal était un thyristor déverrouillé, créé dans les années 50 du siècle dernier. Les thyristors non verrouillables ont joué un rôle exceptionnel dans le développement de l'électronique de puissance et sont largement utilisés aujourd'hui. Mais l'impossibilité de s'éteindre au moyen d'impulsions de commande complique souvent leur application. Pendant des décennies, les développeurs de dispositifs de puissance ont dû composer avec cet inconvénient, en utilisant dans certains cas des nœuds assez complexes de circuits de puissance pour désactiver les thyristors.
L'utilisation répandue des thyristors a conduit à la popularité du terme «technologie des thyristors» qui a surgi à cette époque, qui était utilisé dans le même sens que le terme «électronique de puissance».
Les transistors bipolaires de puissance développés au cours de cette période ont trouvé leur domaine d'application, mais n'ont pas radicalement changé la donne en électronique de puissance.
Ce n'est qu'avec l'avènement des transistors à effet de champ de puissance et de 10 W entre les mains des ingénieurs qui se sont révélés être des commutateurs électroniques entièrement contrôlables, se rapprochant dans leurs propriétés de celles idéales. Cela a grandement facilité la solution d'une variété de tâches pour le contrôle de processus électriques puissants. La présence de clés électroniques suffisamment parfaites permet non seulement de connecter instantanément la charge à une source DC ou AC et de la déconnecter, mais aussi de générer des signaux de courant très importants ou pratiquement toute forme requise pour cela.
Les appareils électroniques de puissance typiques les plus courants sont:
appareils de commutation sans contact CA et CC (disjoncteurs) conçus pour allumer ou éteindre la charge dans le circuit CA ou CC et, parfois, pour réguler la puissance de charge;
redresseursconversion de polarité alternative (unidirectionnelle);
onduleursconversion de constante en variable;
convertisseurs de fréquenceconvertir une variable d'une fréquence en une variable d'une autre fréquence;
convertisseurs DC (convertisseurs), convertir une constante d'une quantité en une constante d'une autre quantité;
convertisseurs de phaseconversion d'une phase alternative avec un nombre de phases en une phase alternative avec un nombre différent de phases (généralement monophasé est converti en triphasé ou triphasé - en monophasé);
compensateurs (correcteurs de facteur de puissance) conçus pour compenser la puissance réactive dans le réseau d'alimentation CA et pour compenser les distorsions de la forme d'onde de courant et de tension.
Essentiellement, les appareils électroniques de puissance convertissent des signaux électriques puissants. Pour cette raison, l'électronique de puissance est également appelée technologie de convertisseur.
Les appareils électroniques de puissance, à la fois standard et spécialisés, sont utilisés dans tous les domaines de la technologie et dans presque tous les équipements scientifiques assez sophistiqués.
A titre d'illustration, signalons quelques objets dans lesquels appareils électroniques de puissance effectuer des fonctions importantes:
Entraînement électrique (régulation de la vitesse et du couple, etc.);
Installations d'électrolyse (métallurgie non ferreuse, industrie chimique);
Matériel électrique pour le transport d'électricité sur de longues distances en courant continu;
Matériel électrométallurgique (agitation électromagnétique du métal, etc.);
Installations électrothermiques (chauffage par induction, etc.);
Matériel électrique pour le chargement de batteries;
Des ordinateurs;
Matériel électrique de voitures et de tracteurs;
Matériel électrique d'aéronefs et d'engins spatiaux;
Appareils de communication radio;
Équipement de diffusion télévisée;
Dispositifs d'éclairage électrique (alimentation de lampes fluorescentes, etc.);
Appareils électromédicaux (échographie et chirurgie, etc.);
Outil électrique;
Appareils électroniques grand public.
Le développement de l'électronique de puissance modifie les approches mêmes de la résolution des problèmes techniques. Par exemple, la création de transistors à effet de champ de puissance et d'IGBT contribue de manière significative à l'expansion du champ d'application des moteurs inductifs, qui remplacent dans un certain nombre de domaines les moteurs collecteurs.
Un facteur important qui a un effet bénéfique sur la distribution des appareils électroniques de puissance est le succès de l'électronique informative et, en particulier, de la technologie des microprocesseurs. Pour contrôler des processus électriques puissants, des algorithmes de plus en plus complexes sont utilisés, qui ne peuvent être mis en œuvre de manière rationnelle qu'avec l'utilisation de dispositifs électroniques informatifs suffisamment avancés.
La combinaison efficace des progrès en matière de puissance et d'électronique informative donne des résultats vraiment exceptionnels.
Les dispositifs existants pour convertir l'énergie électrique en d'autres types d'énergie avec l'utilisation directe de dispositifs à semi-conducteurs n'ont pas encore une puissance de sortie élevée. Cependant, là aussi, des résultats encourageants ont été obtenus.
Les lasers à semi-conducteurs convertissent l'énergie électrique en énergie cohérente dans les gammes ultraviolette, visible et infrarouge. Ces lasers ont été proposés en 1959 et ont été réalisés pour la première fois à base d'arséniure de gallium (GaAs) en 1962. Les lasers à semi-conducteurs ont un rendement élevé (supérieur à 10%) et une longue durée de vie. Ils sont par exemple utilisés dans les projecteurs infrarouges.
Les LED blanches super brillantes, apparues dans les années 90 du siècle dernier, sont déjà utilisées dans un certain nombre de cas pour l'éclairage au lieu de lampes à incandescence. Les LED sont nettement plus économiques et ont une durée de vie nettement plus longue. On s'attend à ce que la gamme d'applications des luminaires LED se développe rapidement.
Teneur:
- Avant-propos
- introduction
- Chapitre d'abord. Les principaux éléments de l'électronique de puissance
- 1.1. Dispositifs à semi-conducteurs de puissance
- 1.1.1. Diodes de puissance
- 1.1.2. Transistors de puissance
- 1.1.3. Les thyristors
- 1.1.4. Applications des semi-conducteurs de puissance
- 1.2. Transformateurs et réacteurs
- 1.3. Condensateurs
- 1.1. Dispositifs à semi-conducteurs de puissance
- Chapitre deux. Redresseurs
- 2.1. informations générales
- 2.2. Circuits de rectification de base
- 2.2.1. Circuit de point médian monophasé pleine onde
- 2.2.2. Circuit en pont monophasé
- 2.2.3. Circuit de point médian triphasé
- 2.2.4. Circuit en pont triphasé
- 2.2.5. Circuits multi-ponts
- 2.2.6. Composition harmonique de la tension redressée et des courants primaires dans les circuits de redressement
- 2.3. Modes de commutation et de fonctionnement des redresseurs
- 2.3.1. Courants de commutation dans les circuits de redressement
- 2.3.2. Caractéristiques externes des redresseurs
- 2.4. Caractéristiques énergétiques des redresseurs et moyens de les améliorer
- 2.4.1. Facteur de puissance et efficacité des redresseurs
- 2.4.2. Amélioration du facteur de puissance des redresseurs contrôlés
- 2.5. Caractéristiques du fonctionnement du redresseur pour charge capacitive et contre-EMF
- 2.6. Filtres lissants
- 2.7. Fonctionnement du redresseur à partir d'une source de puissance comparable
- Chapitre trois. Onduleurs et convertisseurs de fréquence
- 3.1. Onduleurs alimentés par le réseau
- 3.1.1. Onduleur de point médian monophasé
- 3.1.2. Onduleur de pont triphasé
- 3.1.3. Bilan de puissance dans l'onduleur alimenté par le réseau
- 3.1.4. Principales caractéristiques et modes de fonctionnement des onduleurs alimentés par le réseau
- 3.2. Onduleurs autonomes
- 3.2.1. Onduleurs de courant
- 3.2.2. Onduleurs de tension
- 3.2.3. Onduleurs de tension à thyristors
- 3.2.4. Onduleurs résonants
- 3.3. Convertisseurs de fréquence
- 3.3.1. Convertisseurs de fréquence de liaison CC
- 3.3.2. Convertisseurs de fréquence à couplage direct
- 3.4. Régulation de la tension de sortie des onduleurs autonomes
- 3.4.1. Principes généraux de régulation
- 3.4.2. Dispositifs de contrôle pour onduleurs de courant
- 3.4.3. Régulation de la tension de sortie au moyen de la modulation d'impulsions shi-i rbt (PWM)
- 3.4.4. Addition de contraintes géométriques
- 3.5. Moyens d'améliorer la forme de la tension de sortie des onduleurs et des convertisseurs de fréquence
- 3.5.1. Influence de la tension non sinusoïdale sur les consommateurs d'électricité
- 3.5.2. Filtres de sortie de l'onduleur
- 3.5.3. Réduction des harmoniques plus élevées dans la tension de sortie sans l'utilisation de filtres
- 3.1. Onduleurs alimentés par le réseau
- Chapitre quatre. Régulateurs-stabilisateurs et contacteurs statiques
- 4.1. Régulateurs-stabilisateurs de tension alternative
- 4.2. Régulateurs DC
- 4.2.1. Stabilisateurs paramétriques
- 4.2.2. Stabilisateurs continus
- 4.2.3. Régulateurs de commutation
- 4.2.4. Développement des structures des régulateurs d'impulsions
- 4.2.5. Régulateurs CC à thyristors-condensateurs avec transfert d'énergie mesuré vers la charge
- 4.2.6. Convertisseurs-régulateurs combinés
- 4.3. Contacteurs statiques
- 4.3.1. Contacteurs CA thyristoriques
- 4.3.2. Contacteurs à thyristors DC
- Chapitre cinq. Systèmes de contrôle de convertisseur
- 5.1. informations générales
- 5.2. Schémas de principe des systèmes de contrôle des appareils de conversion
- 5.2.1. Redresseurs et systèmes de commande d'onduleurs dépendants
- 5.2.2. Systèmes de contrôle à couplage direct pour convertisseurs de fréquence
- 5.2.3. Systèmes de contrôle d'onduleurs autonomes
- 5.2.4. Systèmes de contrôle pour régulateurs-stabilisateurs
- 5.3. Systèmes à microprocesseurs dans la technologie des convertisseurs
- 5.3.1. Structures de microprocesseur généralisées typiques
- 5.3.2. Exemples d'utilisation de systèmes de contrôle à microprocesseur
- Chapitre six. Application des appareils électroniques de puissance
- 6.1. Domaines d'utilisation rationnelle
- 6.2. Exigences techniques générales
- 6.3. Protection d'urgence
- 6.4. Contrôle opérationnel et diagnostic de l'état technique
- 6.5. Fournir un fonctionnement parallèle des convertisseurs
- 6.6. Interférence électromagnétique
- Liste de références
INTRODUCTION
Dans l'ingénierie électronique, on distingue l'électronique de puissance et de l'information. L'électronique de puissance est apparue à l'origine comme un domaine technologique associé principalement à la conversion de divers types d'énergie électrique grâce à l'utilisation d'appareils électroniques. À l'avenir, les progrès dans le domaine des technologies des semi-conducteurs ont permis d'étendre considérablement la fonctionnalité des dispositifs électroniques de puissance et, par conséquent, leurs domaines d'application.
Les dispositifs d'électronique de puissance moderne permettent de contrôler le flux d'électricité non seulement pour le convertir d'un type à un autre, mais aussi pour distribuer, organiser la protection à grande vitesse des circuits électriques, compenser la puissance réactive, etc. le nom de l'électronique de puissance est l'électronique de puissance. L'électronique d'information est principalement utilisée pour le contrôle des processus d'information. En particulier, les dispositifs électroniques d'information constituent la base des systèmes de contrôle et de régulation pour divers objets, y compris les dispositifs électroniques de puissance.
Cependant, malgré l'expansion intensive des fonctions des appareils électroniques de puissance et de leurs domaines d'application, les principaux problèmes et tâches scientifiques et techniques résolus dans le domaine de l'électronique de puissance sont associés. conversion d'énergie électrique.
L'électricité est utilisée sous diverses formes: sous forme de courant alternatif avec une fréquence de 50 Hz, sous forme de courant continu (plus de 20% de toute l'électricité produite), ainsi que de courant alternatif de fréquence accrue ou de courants de forme spéciale (par exemple, pulsé, etc.). Cette différence est principalement due à la diversité et à la spécificité des consommateurs, et dans certains cas (par exemple, dans les systèmes d'alimentation électrique autonomes) et des sources primaires d'électricité.
La variété des types d'électricité consommée et produite nécessite sa transformation. Les principaux types de conversion électrique sont:
- 1) rectification (conversion du courant alternatif en courant continu);
- 2) inversion (conversion du courant continu en courant alternatif);
- 3) conversion de fréquence (conversion du courant alternatif d'une fréquence en courant alternatif d'une autre fréquence).
Il existe également un certain nombre d'autres types de conversion moins courants: formes d'onde de courant, nombre de phases, etc. Dans certains cas, une combinaison de plusieurs types de conversion est utilisée. De plus, l'électricité peut être convertie afin d'améliorer la qualité de ses paramètres, par exemple pour stabiliser la tension ou la fréquence du courant alternatif.
La conversion de l'électricité peut se faire de différentes manières. En particulier, la transformation traditionnelle pour l'électrotechnique est la transformation au moyen d'unités de machines électriques, constituées d'un moteur et d'un générateur, réunis par un arbre commun. Cependant, cette méthode de conversion présente un certain nombre d'inconvénients: présence de pièces mobiles, inertie, etc. Par conséquent, parallèlement au développement de la conversion de machines électriques en électrotechnique, une grande attention a été portée au développement de méthodes de conversion électricité. La plupart de ces développements reposaient sur l'utilisation d'éléments non linéaires de la technologie électronique. Les principaux éléments de l'électronique de puissance, qui sont devenus la base de la création de convertisseurs statiques, étaient des dispositifs à semi-conducteurs. La conductivité de la plupart des dispositifs à semi-conducteurs dépend en grande partie de la direction du courant électrique: dans le sens direct, leur conductivité est grande, dans la direction opposée, elle est petite (c'est-à-dire qu'un dispositif à semi-conducteurs a deux états distincts: ouvert et fermé) . Les dispositifs à semi-conducteurs sont incontrôlés et contrôlés. Dans ce dernier, il est possible de contrôler le moment de l'apparition de leur haute conductivité (mise en marche) au moyen d'impulsions de commande de faible puissance. Les premiers travaux domestiques consacrés à l'étude des dispositifs à semi-conducteurs et à leur utilisation pour la conversion de l'électricité ont été les travaux des académiciens V.F.Mitkevich, N.D. Papeleksi, et d'autres.
Dans les années 1930, les dispositifs à décharge (vannes à mercure, thyratrons, gazotrons, etc.) étaient répandus en URSS et à l'étranger. Simultanément au développement des dispositifs à décharge de gaz, la théorie de la conversion électrique a été développée. Les principaux types de circuits ont été développés et des recherches approfondies ont été menées sur les processus électromagnétiques se produisant lors de la rectification et de l'inversion du courant alternatif. Dans le même temps, les premiers travaux sur l'analyse des circuits onduleurs autonomes sont apparus. Dans le développement de la théorie des convertisseurs d'ions, les travaux des scientifiques soviétiques IL Kaganov, MAChernyshev, DAZavalishin et étrangers: K. Müller-Lubeck, M. Demontvinier, V. Schilling, ont joué un grand rôle. et d'autres.
Une nouvelle étape dans le développement de la technologie de conversion a commencé à la fin des années 50, lorsque de puissants dispositifs à semi-conducteurs - diodes et thyristors - sont apparus. Ces dispositifs à base de silicium sont de loin supérieurs en termes de performances aux dispositifs à décharge gazeuse. Ils ont des dimensions et un poids réduits, un rendement élevé, une vitesse élevée et une fiabilité accrue lorsqu'ils fonctionnent dans une large plage de températures.
L'utilisation de dispositifs à semi-conducteurs de puissance a considérablement influencé le développement de l'électronique de puissance. Ils sont devenus la base du développement de dispositifs de conversion très efficaces de tous types. Dans ces développements, de nombreux circuits et solutions de conception fondamentalement nouveaux ont été adoptés. Le développement industriel des dispositifs semi-conducteurs de puissance pour l'électricité a intensifié la recherche et le développement dans ce domaine et la création de nouvelles technologies. En tenant compte des spécificités des dispositifs semi-conducteurs de puissance, les anciens ont été affinés et de nouvelles méthodes d'analyse de circuits ont été développées. Les classes de schémas d'onduleurs autonomes, de convertisseurs de fréquence, de régulateurs CC et bien d'autres se sont considérablement élargies et de nouveaux types d'appareils électroniques de puissance sont apparus - contacteurs statiques à commutation naturelle et artificielle, compensateurs de puissance réactive à thyristors, dispositifs de protection haute vitesse avec tension limiteurs, etc.
L'un des principaux domaines d'utilisation efficace de l'électronique de puissance est devenu l'entraînement électrique. Pour l'entraînement électrique à courant continu, des thyristors et des dispositifs complets ont été développés, qui sont utilisés avec succès dans la métallurgie, la construction de machines-outils, le transport et d'autres industries. Le développement des thyristors a conduit à des progrès significatifs dans le domaine des variateurs AC.
Des dispositifs très efficaces ont été créés pour convertir le courant de fréquence industrielle en courant alternatif à fréquence variable pour contrôler la vitesse des moteurs électriques. Pour différents domaines technologiques, de nombreux types de convertisseurs de fréquence avec des paramètres de sortie stabilisés ont été développés. En particulier, pour le chauffage par induction du métal, des unités à thyristors puissants à haute fréquence ont été créées, qui donnent un effet technique et économique important en raison d'une augmentation de leur durée de vie par rapport aux unités de machines électriques.
Sur la base de l'introduction de convertisseurs semi-conducteurs, la reconstruction de sous-stations électriques pour le transport électrique mobile a été réalisée. La qualité de certains processus technologiques dans les industries électrométallurgiques et chimiques a été considérablement améliorée grâce à l'introduction d'unités de redressement avec une régulation profonde de la tension et du courant de sortie.
Les avantages des convertisseurs à semi-conducteurs ont déterminé leur utilisation répandue dans les systèmes d'alimentation sans coupure. Le domaine d'application des dispositifs électroniques de puissance dans le domaine de l'électronique grand public (régulateurs de tension, etc.) s'est élargi.
Depuis le début des années 80, grâce au développement intensif de l'électronique, a commencé la création d'une nouvelle génération de produits «électronique de puissance». La base en était le développement et le développement industriel de nouveaux types de dispositifs à semi-conducteurs de puissance: thyristors verrouillables, transistors bipolaires, transistors MOS, etc. la vitesse des dispositifs à semi-conducteurs, les valeurs des paramètres limites des diodes et des thyristors, les technologies intégrées et hybrides pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs de divers types se sont développées, la technologie des microprocesseurs a commencé à être largement introduit pour contrôler et surveiller les appareils de conversion.
L'utilisation d'une nouvelle base d'éléments a permis d'améliorer fondamentalement des indicateurs techniques et économiques importants tels que l'efficacité, les valeurs spécifiques de masse et de volume, la fiabilité, la qualité des paramètres de sortie, etc. déterminé. Actuellement, des alimentations secondaires miniatures de faible et moyenne puissance ont été développées avec une conversion intermédiaire de l'électricité à des fréquences de la gamme supersonique. Le développement de la gamme haute fréquence (plus de 1 MHz) a conduit à la nécessité de résoudre un ensemble de problèmes scientifiques et techniques dans la conception des dispositifs de conversion et d'assurer leur compatibilité électromagnétique dans le cadre des systèmes techniques. L'effet technique et économique obtenu grâce au passage à des fréquences plus élevées a entièrement compensé les coûts de résolution de ces problèmes. Par conséquent, à l'heure actuelle, la tendance à créer de nombreux types de dispositifs de conversion avec une liaison haute fréquence intermédiaire se poursuit.
Il convient de noter que l'utilisation de dispositifs semi-conducteurs à haute vitesse entièrement contrôlables dans les circuits traditionnels augmente considérablement leurs capacités à fournir de nouveaux modes de fonctionnement et, par conséquent, de nouvelles propriétés fonctionnelles des produits électroniques de puissance.
Dans cet article, nous parlerons d'électronique de puissance. Qu'est-ce que l'électronique de puissance, sur quoi est-elle basée, quels sont les avantages et quelles sont ses perspectives? Arrêtons-nous sur les composants de l'électronique de puissance, considérons brièvement ce qu'ils sont, en quoi ils diffèrent les uns des autres et pour quelles applications ces ou ces types de commutateurs à semi-conducteurs conviennent-ils. Voici des exemples d'appareils électroniques de puissance utilisés dans la vie quotidienne, au travail et à la maison.
Ces dernières années, les appareils électroniques de puissance ont fait une percée technologique majeure dans la conservation de l'énergie. Les semi-conducteurs de puissance, en raison de leur contrôlabilité flexible, permettent une conversion efficace de l'électricité. Les indicateurs de poids et de taille ainsi que l'efficacité obtenus aujourd'hui ont déjà amené les dispositifs de conversion à un niveau qualitativement nouveau.
Dans de nombreuses industries, des démarreurs progressifs, des régulateurs de vitesse, des alimentations sans interruption, fonctionnant sur une base de semi-conducteurs moderne et présentant un rendement élevé sont utilisés. Ce sont tous de l'électronique de puissance.
Le contrôle du flux d'énergie électrique dans l'électronique de puissance est réalisé à l'aide d'interrupteurs à semi-conducteurs, qui remplacent les interrupteurs mécaniques, et qui peuvent être contrôlés selon l'algorithme requis afin d'obtenir la puissance moyenne requise et l'action précise du corps de travail de tel ou tel équipement.
Ainsi, l'électronique de puissance est utilisée dans les transports, dans l'industrie minière, dans le domaine des communications, dans de nombreuses industries, et pas un seul appareil électroménager puissant ne peut aujourd'hui se passer des unités électroniques de puissance incluses dans sa conception.
Les principaux éléments constitutifs de l'électronique de puissance sont précisément les composants clés des semi-conducteurs qui peuvent ouvrir et fermer un circuit à différentes vitesses, jusqu'à mégahertz. À l'état allumé, la résistance de la clé est constituée d'unités et de fractions d'ohm, et à l'état éteint - mégohms.
La gestion des clés ne nécessite pas beaucoup d'énergie et les pertes sur la clé survenant lors du processus de commutation, avec un pilote bien conçu, ne dépassent pas un pour cent. Pour cette raison, l'efficacité de l'électronique de puissance est élevée par rapport au terrain perdu des transformateurs en fer et des commutateurs mécaniques tels que les relais conventionnels.
Les dispositifs électroniques de puissance sont des dispositifs dans lesquels le courant effectif est supérieur ou égal à 10 ampères. Dans ce cas, les éléments semi-conducteurs clés peuvent être: des transistors bipolaires, des transistors à effet de champ, des transistors IGBT, des thyristors, des triacs, des thyristors verrouillables et des thyristors verrouillables avec commande intégrée.
La faible puissance de commande permet également de créer des microcircuits de puissance dans lesquels plusieurs blocs sont combinés à la fois: la clé elle-même, le circuit de commande et le circuit de commande, ce sont les circuits dits intelligents.
Ces blocs de construction électroniques sont utilisés à la fois dans les installations industrielles de forte puissance et dans les appareils électroménagers. Un four à induction pour quelques mégawatts ou un bateau à vapeur domestique pour quelques kilowatts - les deux ont des interrupteurs d'alimentation à semi-conducteurs qui fonctionnent simplement à des puissances différentes.
Ainsi, les thyristors de puissance fonctionnent dans des convertisseurs d'une capacité supérieure à 1 MVA, dans des circuits de variateurs électriques DC et de variateurs AC haute tension, sont utilisés dans des installations de compensation de puissance réactive, dans des installations de fusion par induction.
Les thyristors verrouillables sont contrôlés de manière plus flexible, ils sont utilisés pour contrôler des compresseurs, des ventilateurs, des pompes d'une capacité de plusieurs centaines de KVA, et la puissance de commutation potentielle dépasse 3 MVA. permettent la mise en œuvre de convertisseurs d'une capacité allant jusqu'à MVA à des fins diverses, à la fois pour la commande de moteurs et pour assurer une alimentation sans coupure et la commutation de courants élevés dans de nombreuses installations statiques.
Les MOSFET ont une excellente contrôlabilité à des fréquences de centaines de kilohertz, ce qui élargit considérablement leur plage d'applicabilité par rapport aux IGBT.
Les triacs sont optimaux pour démarrer et contrôler les moteurs à courant alternatif, ils sont capables de fonctionner à des fréquences allant jusqu'à 50 kHz et, pour le contrôle, ils nécessitent moins d'énergie que les transistors IGBT.
Aujourd'hui, les IGBT ont une tension de commutation maximale de 3500 volts, et potentiellement de 7000 volts. Ces composants peuvent remplacer les transistors bipolaires dans les années à venir, et ils seront utilisés sur des équipements allant jusqu'à des unités MVA. Pour les convertisseurs de faible puissance, les MOSFET resteront plus acceptables, et pour plus de 3 MVA - thyristors verrouillables.
Selon les prévisions des analystes, la plupart des semi-conducteurs de puissance à l'avenir auront une conception modulaire, lorsque deux à six éléments clés sont situés dans un seul boîtier. L'utilisation de modules vous permet de réduire le poids, de réduire la taille et le coût de l'équipement dans lequel ils seront utilisés.
Pour les transistors IGBT, la progression sera une augmentation des courants jusqu'à 2 kA à une tension allant jusqu'à 3,5 kV et une augmentation des fréquences de fonctionnement jusqu'à 70 kHz avec des circuits de commande simplifiés. Un module peut contenir non seulement des clés et un redresseur, mais également un driver et des circuits de protection actifs.
Les transistors, diodes, thyristors produits ces dernières années ont déjà considérablement amélioré leurs paramètres, tels que le courant, la tension, la vitesse, et les progrès ne s'arrêtent pas.
Pour une meilleure conversion du courant alternatif en courant continu, des redresseurs contrôlés sont utilisés, qui permettent de changer en douceur la tension redressée dans la plage de zéro à la valeur nominale.
Aujourd'hui, dans les systèmes d'excitation des entraînements électriques à courant continu, les thyristors sont principalement utilisés dans les moteurs synchrones. Les thyristors doubles - triacs, n'ont qu'une seule électrode de grille pour deux thyristors anti-parallèles connectés, ce qui rend le contrôle encore plus facile.
Pour effectuer le processus inverse, la conversion de la tension continue en tension alternative est utilisée. Les inverseurs de commutation à semi-conducteurs indépendants donnent la fréquence, la forme et l'amplitude de sortie, déterminées par le circuit électronique, et non par le réseau. Les onduleurs sont fabriqués sur la base de divers types d'éléments clés, mais pour les puissances élevées, plus de 1 MVA, les onduleurs sur transistors IGBT arrivent à nouveau en tête.
Contrairement aux thyristors, les IGBT permettent de modeler plus largement et plus précisément le courant et la tension en sortie. Les onduleurs de voiture de faible puissance utilisent des transistors à effet de champ dans leur travail, qui, à des puissances allant jusqu'à 3 kW, font un excellent travail de conversion du courant continu d'une batterie avec une tension de 12 volts, d'abord en courant continu, via un convertisseur d'impulsions haute fréquence fonctionnant à une fréquence de 50 kHz à des centaines de kilohertz, puis - en alternance 50 ou 60 Hz.
Pour convertir un courant d'une fréquence en un courant d'une autre fréquence, ils sont utilisés. Auparavant, cela se faisait uniquement sur la base de thyristors, qui n'avaient pas une contrôlabilité totale; il était nécessaire de concevoir des schémas complexes pour le verrouillage forcé des thyristors.
L'utilisation de commutateurs tels que les MOSFET à effet de champ et les transistors IGBT facilite la conception et la mise en œuvre de convertisseurs de fréquence, et on peut prévoir qu'à l'avenir, les thyristors, en particulier dans les dispositifs de faible puissance, seront abandonnés au profit des transistors.
Pour l'inversion des entraînements électriques, des thyristors sont toujours utilisés; il suffit de disposer de deux jeux de convertisseurs à thyristors pour fournir deux directions de courant différentes sans avoir besoin de commutation. C'est ainsi que fonctionnent les démarreurs inverseurs modernes sans contact.
Nous espérons que notre court article vous a été utile, et maintenant vous savez ce qu'est l'électronique de puissance, quels éléments de l'électronique de puissance sont utilisés dans les appareils électroniques de puissance et quel est le potentiel de l'électronique de puissance pour notre avenir.
Date de publication: 12.10.2017
Connaissez-vous les bases de l'électronique de puissance?
Nous pouvons retracer des progrès considérables dans ce domaine vers le développement de thyristors commerciaux ou de redresseurs au silicium (SCR) de General Electric Co. Concept d'électronique de puissance
Electronique de puissance - l'un des sujets modernes de l'électrotechnique, qui a récemment connu un grand succès et a influencé la vie humaine dans presque tous les domaines. Nous utilisons nous-mêmes tant d'applications électroniques de puissance dans notre vie quotidienne sans même nous en rendre compte. Maintenant, la question se pose: "Qu'est-ce que l'électronique de puissance?"
Nous pouvons définir l'électronique de puissance comme un élément hybride d'énergie, d'électronique analogique, de dispositifs à semi-conducteurs et de systèmes de contrôle. Nous basons les fondements de chaque sujet et l'appliquons sous une forme combinée pour obtenir une forme régulée d'énergie électrique. L'énergie électrique en elle-même n'est pas applicable tant qu'elle n'est pas convertie en une forme d'énergie tangible telle que le mouvement, la lumière, le son, la chaleur, etc. Pour réguler ces formes d'énergie, un moyen efficace est de réguler l'énergie électrique elle-même. Et ces formes le contenu de l'électronique de puissance subjective.
Nous pouvons retracer des progrès considérables dans ce domaine vers le développement de thyristors commerciaux ou de redresseurs au silicium (SCR) de General Electric Co. en 1958. Auparavant, le contrôle de l'énergie électrique était principalement effectué à l'aide de thyratrons et de redresseurs à arc au mercure, qui fonctionnent sur le principe des phénomènes physiques dans les gaz et les vapeurs. Après SCR, il y a eu de nombreux appareils électroniques puissants tels que GTO, IGBT, SIT, MCT, TRIAC, DIAC, IEGT, IGCT, etc. Ces appareils sont évalués pour plusieurs centaines de volts et d'ampères, par opposition aux appareils de niveau de signal qui fonctionnent à plusieurs volts et ampères.
Pour accomplir le but de l'électronique de puissance, les appareils agissent comme un simple interrupteur. Toutes les électroniques de puissance agissent comme un interrupteur et ont deux modes, c'est-à-dire ON et OFF. Par exemple, le BJT (Bipolar Junction Transistor) a trois zones de fonctionnement dans les caractéristiques de coupure des caractéristiques de sortie, actives et saturées. Dans l'électronique analogique, où le BJT doit agir comme un amplificateur, le circuit est conçu pour le polariser dans la région active de fonctionnement. Dans l'électronique de puissance, cependant, le BJT fonctionnera dans la région de coupure lorsqu'il est éteint et dans la région de saturation lorsqu'il est allumé. Maintenant que les appareils sont censés fonctionner comme un interrupteur, ils doivent suivre la caractéristique de base de l'interrupteur, c'est-à-dire que lorsque l'interrupteur est allumé, il a une chute de tension nulle à travers lui et transfère le courant complet à travers lui, et lorsqu'il est en l'état OFF, il a une chute de tension complète à travers lui et zéro courant qui le traverse.
Maintenant, puisque V ou I est nul dans les deux modes, la puissance de commutation est toujours égale à zéro. Cette caractéristique est facilement visualisée dans un interrupteur mécanique, et la même chose doit être observée dans un interrupteur électronique de puissance. Cependant, il y a presque toujours un courant de fuite à travers les appareils lorsqu'ils sont à l'état OFF, c.-à-d. Ileakage ≠ 0, et il y a toujours une chute de tension à l'état ON, c'est-à-dire Von ≠ 0. Cependant, la valeur de Von ou Ileakage est très petite et donc la puissance à travers l'appareil est également très faible, de l'ordre de quelques millivolts. Cette puissance est dissipée dans l'appareil et une bonne évacuation de la chaleur de l'appareil est donc importante. En plus de ces pertes d'état et d'état OFF, il existe également des pertes de commutation dans les dispositifs électroniques de puissance. Cela se produit principalement lorsque le commutateur passe d'un mode à un autre et que V et I sont modifiés via l'appareil. Dans l'électronique de puissance, les deux pertes sont des paramètres importants de tout appareil et sont nécessaires pour déterminer sa tension et son courant.
L'électronique de puissance seule n'est pas très utile dans les applications pratiques et nécessite donc une conception de circuit avec d'autres composants de support. Ces composants de support sont comme la partie décisionnelle qui contrôle les commutateurs électroniques de puissance pour obtenir le résultat souhaité. Cela comprend un circuit de mise à feu et une boucle de rétroaction. Le schéma fonctionnel ci-dessous montre un système électronique de puissance simple.
L'unité de commande reçoit les signaux de sortie des capteurs et les compare avec les références et introduit en conséquence le signal d'entrée dans le circuit de mise à feu. Le circuit de mise à feu est fondamentalement un circuit de génération d'impulsions qui fournit une sortie d'impulsions de manière à commander les commutateurs électroniques de puissance dans l'unité de circuit principal. Le résultat final est que la charge reçoit la puissance électrique requise et fournit donc le résultat souhaité. Un exemple typique du système ci-dessus serait le contrôle de la vitesse des moteurs.
Il existe essentiellement cinq types de circuits électroniques de puissance, chacun ayant un objectif différent:
- Redresseurs - Convertit le courant alternatif fixe en courant alternatif continu
- Choppers - Convertit DC en AC DC
- Onduleurs - convertissez le courant continu en courant alternatif avec une amplitude et une fréquence variables
- Contrôleurs de tension alternative - convertit le courant alternatif fixe en courant alternatif à la même fréquence d'entrée
- Cycloconverters - Convertit le courant alternatif fixe en courant alternatif à fréquence variable
Il existe une idée fausse commune concernant le terme transformateur. Un convertisseur est essentiellement n'importe quel circuit qui convertit l'électricité d'une forme à une autre. Par conséquent, tous les cinq répertoriés sont des types de transducteurs.
Nom: Fondamentaux de l'électronique de puissance.
Les principes de la conversion de l'énergie électrique sont énoncés: redressement, inversion, conversion de fréquence, etc. Les circuits de base des dispositifs de conversion, les méthodes de contrôle et de régulation des principaux paramètres sont décrits, les domaines d'utilisation rationnelle de différents types de convertisseurs sont présentés.
Pour les ingénieurs et techniciens pour la conception et l'exploitation de systèmes électriques contenant des convertisseurs, ainsi que pour les personnes impliquées dans les tests et la maintenance de la technologie des convertisseurs.
Dans l'ingénierie électronique, on distingue l'électronique de puissance et de l'information. L'électronique de puissance est apparue à l'origine comme un domaine technologique associé principalement à la conversion de divers types d'énergie électrique grâce à l'utilisation d'appareils électroniques. À l'avenir, les progrès dans le domaine des technologies des semi-conducteurs ont permis d'étendre considérablement la fonctionnalité des dispositifs électroniques de puissance et, par conséquent, leurs domaines d'application.
Les dispositifs d'électronique de puissance moderne permettent de contrôler le flux d'électricité non seulement pour le convertir d'un type à un autre, mais aussi pour distribuer, organiser la protection à grande vitesse des circuits électriques, compenser la puissance réactive, etc. le nom de l'électronique de puissance est de l'énergie
électronique.
L'électronique d'information est principalement utilisée pour le contrôle des processus d'information. En particulier, les dispositifs électroniques d'information constituent la base des systèmes de commande et de régulation pour divers objets, y compris les dispositifs électroniques de puissance.
Chapitre d'abord. Les principaux éléments de l'électronique de puissance
1.1. Dispositifs à semi-conducteurs de puissance
1.1.1. Diodes de puissance
1.1.2. Transistors de puissance
1.1.3. Les thyristors
1.1.4. Applications des semi-conducteurs de puissance
1.2. Transformateurs et réacteurs
1.3. Condensateurs
Chapitre deux. Redresseurs
2.1. informations générales
2.2. Circuits de rectification de base
2.2.1. Circuit de point médian monophasé pleine onde
2.2.2. Circuit en pont monophasé
2.2.3. Circuit de point médian triphasé
2.2.4. Circuit en pont triphasé
2.2.5. Circuits multi-ponts
2.2.6. Composition harmonique de la tension redressée et des courants primaires dans les circuits de redressement
2.3. Modes de commutation et de fonctionnement des redresseurs
2.3.1. Courants de commutation dans les circuits de redressement
2.3.2. Caractéristiques externes des redresseurs
2.4. Caractéristiques énergétiques des redresseurs et moyens de les améliorer
2.4.1. Facteur de puissance et efficacité des redresseurs
2.4.2. Amélioration du facteur de puissance des redresseurs contrôlés
2.5. Caractéristiques du fonctionnement du redresseur pour charge capacitive et contre-EMF
2.6. Filtres lissants
2.7. Fonctionnement du redresseur à partir d'une source de puissance comparable
Chapitre trois. Onduleurs et convertisseurs de fréquence
3.1. Onduleurs alimentés par le réseau
3.1.1. Onduleur de point médian monophasé
3.1.2. Onduleur de pont triphasé
3.1.3. Bilan de puissance dans l'onduleur alimenté par le réseau
3.1.4. Principales caractéristiques et modes de fonctionnement des onduleurs alimentés par le réseau
3.2. Onduleurs autonomes
3.2.1. Onduleurs de courant
3.2.2. Onduleurs de tension
3.2.3. Onduleurs de tension à thyristors
3.2.4. Onduleurs résonants
3.3. Convertisseurs de fréquence
3.3.1. Convertisseurs de fréquence de liaison CC
3.3.2. Convertisseurs de fréquence à couplage direct
3.4. Régulation de la tension de sortie des onduleurs autonomes
3.4.1. Principes généraux de régulation
3.4.2. Dispositifs de contrôle pour onduleurs de courant
3.4.3. Régulation de la tension de sortie au moyen de la modulation de largeur d'impulsion (PWM)
3.4.4. Addition de contraintes géométriques
3.5. Moyens d'améliorer la forme de la tension de sortie des onduleurs et des convertisseurs de fréquence
3.5.1. Influence de la tension non sinusoïdale sur les consommateurs d'électricité
3.5.2. Filtres de sortie de l'onduleur
3.5.3. Réduction des harmoniques plus élevées dans la tension de sortie sans l'utilisation de filtres
Chapitre quatre. Régulateurs-stabilisateurs et contacteurs statiques
4.1. Régulateurs-stabilisateurs de tension alternative
4.2. Régulateurs DC
4.2.1. Stabilisateurs paramétriques
4.2.2. Stabilisateurs continus
4.2.3. Régulateurs de commutation
4.2.4. Développement des structures des régulateurs d'impulsions
4.2.5. Régulateurs CC à thyristors-condensateurs avec transfert d'énergie mesuré vers la charge
4.2.6. Convertisseurs-régulateurs combinés
4.3. Contacteurs statiques
4.3.1. Contacteurs CA thyristoriques
4.3.2. Contacteurs à thyristors DC
Chapitre cinq. Systèmes de contrôle de convertisseur
5.1. informations générales
5.2. Schémas de principe des systèmes de contrôle des appareils de conversion
5.2.1. Redresseurs et systèmes de commande d'onduleurs dépendants
5.2.2. Systèmes de contrôle à couplage direct pour convertisseurs de fréquence
5.2.3. Systèmes de contrôle d'onduleurs autonomes
5.2.4. Systèmes de contrôle pour régulateurs-stabilisateurs
5.3. Systèmes à microprocesseurs dans la technologie de conversion
5.3.1. Structures de microprocesseur généralisées typiques
5.3.2. Exemples d'utilisation de systèmes de contrôle à microprocesseur
Chapitre six. Application des appareils électroniques de puissance
6.1. Domaines d'utilisation rationnelle
6.2. Exigences techniques générales
6.3. Protection d'urgence
6.4. Contrôle opérationnel et diagnostic de l'état technique
6.5. Fournir un fonctionnement parallèle des convertisseurs
6.6. Interférence électromagnétique
Liste de références
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