Was ist Leistungselektronik?

In diesem Artikel werden wir über Leistungselektronik sprechen. Was ist Leistungselektronik, worauf basiert sie, welche Vorteile bietet sie und welche Perspektiven hat sie? Lassen Sie uns auf die Komponenten der Leistungselektronik eingehen, kurz überlegen, was sie sind, wie sie sich voneinander unterscheiden und für welche Anwendungen diese oder jene Arten von Halbleiterschaltern geeignet sind. Hier finden Sie Beispiele für leistungselektronische Geräte, die im Alltag, in der Fertigung und im Alltag eingesetzt werden.

Leistungselektronische Geräte haben in den letzten Jahren einen großen technologischen Durchbruch bei der Energieeinsparung erzielt. Leistungshalbleiterbauelemente ermöglichen aufgrund ihrer flexiblen Steuerbarkeit eine effiziente Umwandlung von Strom. Die heutigen Gewichts-, Größen- und Effizienzkennzahlen haben Konverter bereits auf ein qualitativ neues Niveau gebracht.

In vielen Branchen werden Sanftstarter, Drehzahlregler und unterbrechungsfreie Stromversorgungen eingesetzt, die auf moderner Halbleiterbasis arbeiten und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Es ist alles Leistungselektronik.

Die Steuerung des elektrischen Energieflusses in der Leistungselektronik erfolgt mithilfe von Halbleiterschaltern, die mechanische Schalter ersetzen und nach dem erforderlichen Algorithmus gesteuert werden können, um die erforderliche Durchschnittsleistung und präzise Wirkung des Arbeitskörpers dieses oder jenes zu erhalten Ausrüstung.

So wird Leistungselektronik im Transportwesen, im Bergbau, in der Kommunikation und in vielen Branchen eingesetzt, und heute kommt kein einziges leistungsstarkes Haushaltsgerät ohne in seinem Design enthaltene Leistungselektronikeinheiten aus.

Die Grundbausteine ​​der Leistungselektronik sind genau die Halbleiter-Schlüsselkomponenten, die einen Stromkreis mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bis hin zu Megahertz öffnen und schließen können. Im eingeschalteten Zustand beträgt der Widerstand des Schalters Einheiten und Bruchteile von Ohm, im ausgeschalteten Zustand Megaohm.

Die Schlüsselverwaltung benötigt nicht viel Strom und die Verluste am Schlüssel, die während des Umschaltvorgangs auftreten, überschreiten bei einem gut konzipierten Treiber nicht ein Prozent. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad der Leistungselektronik im Vergleich zu den verlustbehafteten Positionen von Eisentransformatoren und mechanischen Schaltern wie herkömmlichen Relais hoch.

Leistungselektronische Geräte sind Geräte, deren Wirkstrom größer oder gleich 10 Ampere ist. In diesem Fall können die wichtigsten Halbleiterelemente sein: Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, IGBT-Transistoren, Thyristoren, Triacs, Lock-in-Thyristoren und Lock-in-Thyristoren mit integrierter Steuerung.

Mit einer geringen Steuerleistung können Sie auch Leistungsmikroschaltungen erstellen, in denen mehrere Blöcke gleichzeitig kombiniert werden: der Schalter selbst, der Steuerkreis und der Steuerkreis, das sind die sogenannten Smart Circuits.

Diese elektronischen Bausteine ​​werden sowohl in Hochleistungs-Industrieanlagen als auch in elektrischen Haushaltsgeräten verwendet. Ein Induktionsherd für ein paar Megawatt oder ein Dampfgarer für ein paar Kilowatt – beide verfügen über Halbleiterschalter, die einfach bei unterschiedlichen Wattzahlen arbeiten.

So arbeiten Leistungsthyristoren in Umrichtern mit einer Leistung von mehr als 1 MVA, in Stromkreisen von Elektroantrieben mit Gleichstrom und Wechselstromantrieben mit Hochspannung, werden in Anlagen zur Blindleistungskompensation, in Anlagen zum Induktionsschmelzen eingesetzt.

Sperrthyristoren lassen sich flexibler steuern, sie dienen zur Steuerung von Kompressoren, Lüftern und Pumpen mit einer Leistung von Hunderten von kVA und die potenzielle Schaltleistung übersteigt 3 MVA. IGBT-Transistoren ermöglichen den Einsatz von Umrichtern mit einer Leistung von bis zu MVA-Einheiten für verschiedene Zwecke, sowohl zur Motorsteuerung als auch zur kontinuierlichen Stromversorgung und Schaltung hoher Ströme in vielen statischen Anlagen.

MOSFETs verfügen über eine hervorragende Steuerbarkeit bei Frequenzen von Hunderten von Kilohertz, was ihren Anwendungsbereich im Vergleich zu IGBTs erheblich erweitert.

Triacs eignen sich optimal zum Starten und Steuern von Wechselstrommotoren. Sie können mit Frequenzen von bis zu 50 kHz betrieben werden und benötigen zur Steuerung weniger Energie als IGBT-Transistoren.

Heutzutage haben IGBTs eine maximale Schaltspannung von 3500 Volt und möglicherweise 7000 Volt.Diese Komponenten könnten in den kommenden Jahren Bipolartransistoren ersetzen und in Geräten bis hin zu MVA-Einheiten eingesetzt werden. Für Wandler mit geringer Leistung bleiben MOSFETs akzeptabler und für mehr als 3 MVA Lock-in-Thyristoren.

Den Prognosen der Analysten zufolge werden die meisten Halbleiter der Zukunft modular aufgebaut sein, wobei zwei bis sechs Schlüsselelemente in einem Gehäuse untergebracht sind. Durch den Einsatz von Modulen können Sie Gewicht, Größe und Kosten der Geräte reduzieren, in denen sie verwendet werden.

Bei IGBT-Transistoren wird der Fortschritt eine Erhöhung der Ströme auf bis zu 2 kA bei Spannungen bis zu 3,5 kV und eine Erhöhung der Betriebsfrequenzen auf bis zu 70 kHz mit vereinfachten Steuerungsschemata sein. Ein Modul kann nicht nur Schalter und einen Gleichrichter, sondern auch einen Treiber und aktive Schutzschaltungen enthalten.

Die in den letzten Jahren hergestellten Transistoren, Dioden und Thyristoren haben ihre Parameter wie Strom, Spannung, Geschwindigkeit bereits erheblich verbessert und der Fortschritt steht nicht still.

Zur besseren Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom werden gesteuerte Gleichrichter eingesetzt, die eine sanfte Änderung der gleichgerichteten Spannung im Bereich von Null auf Nenn ermöglichen.

Heutzutage werden Thyristoren in Erregersystemen für elektrische Gleichstromantriebe hauptsächlich in Synchronmotoren eingesetzt. Doppelthyristoren – Triacs – haben nur eine Gate-Elektrode für zwei antiparallel geschaltete Thyristoren, was die Steuerung noch einfacher macht.

Um den umgekehrten Vorgang durchzuführen, wird die Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung genutzt Wechselrichter… Unabhängige Halbleiterschalter-Wechselrichter liefern eine Ausgangsfrequenz, Form und Amplitude, die von der elektronischen Schaltung und nicht vom Netzwerk bestimmt wird. Wechselrichter basieren auf verschiedenen Arten von Schlüsselelementen, aber bei großen Leistungen von mehr als 1 MVA haben wiederum IGBT-Transistor-Wechselrichter die Nase vorn.

Im Gegensatz zu Thyristoren bieten IGBTs eine breitere und genauere Formung des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung. Auto-Wechselrichter mit geringer Leistung verwenden bei ihrer Arbeit Feldeffekttransistoren, die bei Leistungen bis zu 3 kW den Gleichstrom einer 12-Volt-Batterie durch einen Hochfrequenz-Impulswandler hervorragend in Gleichstrom umwandeln mit einer Frequenz von 50 kHz bis Hunderten von Kilohertz, dann abwechselnd 50 oder 60 Hz.

Um einen Strom einer Frequenz in einen Strom einer anderen Frequenz umzuwandeln, verwenden Sie Halbleiter-Frequenzumrichter… Bisher erfolgte dies ausschließlich auf Basis von Thyristoren, die nicht vollständig steuerbar waren; Es war notwendig, komplexe Schemata zur Zwangssperrung von Thyristoren zu entwickeln.

Der Einsatz von Schaltern wie Feldeffekt-MOSFETs und IGBTs erleichtert den Entwurf und die Implementierung von Frequenzumrichtern, und es kann vorhergesagt werden, dass Thyristoren, insbesondere in Geräten mit geringer Leistung, in Zukunft zugunsten von Transistoren aufgegeben werden.

Zur Umkehrung elektrischer Antriebe werden noch immer Thyristoren eingesetzt; Es reicht aus, über zwei Sätze von Thyristorwandlern zu verfügen, um zwei unterschiedliche Stromrichtungen bereitzustellen, ohne dass ein Umschalten erforderlich ist. So funktionieren moderne berührungslose Reversierstarter.

Wir hoffen, dass unser kurzer Artikel für Sie nützlich war und Sie nun wissen, was Leistungselektronik ist, welche Elemente der Leistungselektronik in leistungselektronischen Geräten verwendet werden und wie groß das Potenzial der Leistungselektronik für unsere Zukunft ist.