Промышленная электроника. Учебное пособие

В электронной технике выделяют промышленную и ин­формационную электронику. Промышленная электроника пер­воначально возникла как область техники, связанная преимуще­ственно с преобразованием различных видов электроэнергии на основе использования электронных приборов. В дальнейшем достижения в области полупроводниковых технологий позволи­ли значительно расширить функциональные возможности сило­вых электронных устройств и соответственно области их при­менения.

Электроэнергия используется в разных формах: в виде пе­ременного тока с частотой 50 Гц, в виде постоянного тока (свы­ше 20 процентов вырабатываемой энергии) а так же переменно­го тока повышенной частоты или токов специальной формы (на­пример импульсной или др.) Это различие в основном обуслов-

Разнообразие в видах потребляемой и вырабатываемой электроэнергии вызывает необходимость ее преобразования. Основными видами преобразования электроэнергии являются:

Существует так же ряд других, менее распространенных видов преобразования: формы кривой тока, числа фаз и др. В отдельных случаях используется комбинация нескольких видов преобразования. Кроме того, электроэнергия может преобразо­вываться с целью улучшения качества ее параметров, например для стабилизации напряжения или частоты переменного тока.

Преобразование электроэнергии может производится раз­личными способами. В частности, традиционным для электро­техники является преобразование посредством электромашин­ных агрегатов, состоящих из двигателя и генератора, объеди­ненных общим валом. Однако этому способу преобразования присущ ряд недостатков: наличие подвижных частей, инерци­онность и др. Поэтому параллельно с развитием электромашин­ного преобразования в электротехнике большое внимание уде­лялось разработке способов статического преобразования элек­троэнергии. Большинство таких разработок основывалось на ис­пользовании нелинейных элементов электронной техники.

Основными элементами промышленной электроники, став­шими базой для создания статических преобразователей, яви­лись полупроводниковые приборы. Проводимость большинства полупроводниковых приборов в существенной мере зависит от

В 30-х годах в СССР и за рубежом были распространены газоразрядные приборы- (ртутные вентили, тиратроны, газотро­ны и др.) Одновременно с освоением газоразрядных приборов развивалась теория преобразования электроэнергии. Были раз­работаны основные типы схем и проведены обширные исследо­вания электромагнитных процессов, протекающих при выпрям­лении и инвертировании переменного тока. В это же время поя­вились первые работы по анализу схем автономных инверторов. В развитии теории ионных преобразователей большую роль сыграли работы советских ученых И.Л. Каганова, М.А. Черны­шева, Д.А. Завалишина, а также и зарубежных: К. Мюллер- Лю­бека, М. Демонтвинье, В. Шилинга и др.

Использование силовых полупроводниковых приборов существенным образом повлияло на развитие силовой электро-

Освоение промышленностью силовых полупроводниковых устройств электроэнергии интенсифицировало проведение в этой области научно- исследовательских работ и создание новых технологий. С учетом специфики силовых полупроводников были уточнены старые и разработаны новые методы анализа схем. Значительно расширились классы схем автономных ин­верторов, преобразователей частоты, регуляторов постоянного тока и многие другие, а также появились новые виды устройств промышленной электроники- статические контакторы с естест­венной и искусственной коммутацией, тиристорные компенса­торы реактивной мощности, быстродействующие аппараты за­щиты с ограничителями напряжения и др.

Одной из основных областей эффективного использования силовой электроники стал электропривод. Для электропривода постоянного тока разработаны тиристорные агрегаты и ком­плектные устройства, успешно используемые в металлургии, станкостроении, на транспорте и других отраслях промышлен­ности. Освоение тиристоров обусловило значительный прогресс в области регулируемого электропривода переменного тока. Созданы высокоэффективные устройства, преобразующие так промышленной частоты в переменный ток регулируемой часто­ты для управления скоростью электродвигателей.

Значительно улучшено качество некоторых технологиче­ских процессов в электрометаллургической и химической от­раслях промышленности за счет внедрения выпрямительных аг­регатов с глубоким регулированием выходного напряжения и тока.

Расширилась область применения силовых устройств в сфере бытовой электроники (регуляторы напряжения и др.)

С начала 80-х годов, благодаря интенсивному развитию электроники, начинается создание нового поколения изделий промышленной электроники. Базой для него явились разработки и освоение промышленностью новых типов силовых полупро­водниковых приборов: запираемых тиристоров, биполярных транзисторов, МОП- транзисторов и др. одновременно сущест­венно повысились быстродействие полупроводниковых прибо­ров, значение предельных параметров диодов и тиристоров, развились интегральные и гибридные технологии изготовления полупроводниковых приборов различных типов, начала широко внедряться микропроцессорная техника для управления и кон­троля преобразовательными устройствами.

В основе электрических явлений в полупроводниковых приборах лежат процессы движения свободных носителей элек-

Рекомбинация частиц сопровождается выделением энер­гии, которая может быть излучена в виде фотонов (излучатель­ная рекомбинация) или же воспринята кристаллической решет­кой в виде фононов (безизлучательная рекомбинация).