ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Проблемы преобразования электрической энергии

Вследствие стремительного прогресса в развитии технологии производства полупроводниковых интегральных схем и дискретных приборов, в частности — перехода к субмикронным и наноразмерным технологиям и появления высоковольтных технологий изготовления мощных силовых приборов, возникают новые задачи в области проектирования и применения микроэлектронных устройств, реализованных на основе этих технологий. Появившиеся в результате этого прогресса сложнофункциональные универсальные и специализированные микропроцессоры и микроконтроллеры нашли широкое применение в компьютерных, телекоммуникационных, навигационных, информационных технологиях. Громадные интеллектуальные ресурсы ученых, разработчиков и производственников были направлены на развитие в первую очередь именно этих сфер применения.

В то же время человечество подошло вплотную к новой проблеме, также требующей концентрации усилий ученых и практиков на разрешении диалектического противоречия, обусловленного, с одной стороны, постоянно увеличивающимся потреблением энергии во всех сферах жизнедеятельности человека, а с другой — очевидной ограниченностью энергетических ресурсов нашей родной планеты.

Во всем мире наблюдается проблема дефицита природных ресурсов, используемых для получения и преобразования электрической энергии. Очевидные признаки грядущего энергетического кризиса в той или иной степени затрагивают все индустриально развитые страны. Одним из главных путей решения этой проблемы является развитие энергосберегающих технологий и создания энергосберегающих изделий на их основе.

При этом на передний план выходит задача существенного снижения потерь электрической энергии в технологической цепи «производство — преобразование — использование» электрической энергии [1]. И здесь одну из важнейших задач призвана решить силовая электроника. Силовая электроника как самостоятельное направление научно-технического прогресса в настоящее время ориентирована на решение сложных задач эффективного управления, регулирования процессами преобразования электрической энергии в самых разных областях науки и техники.

В табл. 1.1 в обобщенном виде представлены источники поступления энергии, виды используемой энергии и типы промышленных предприятий (электростанций), которые осуществляют преобразование соответствующего вида энергии в электрическую энергию и ее передачу потребителям.

Таблица 1.1. Основные виды и источники энергии

Источник энергии

Вид энергии

Электростанции

Солнечное излучение

Прямая энергия излучения

Солнечные электростанции

Преобразованная энергия Солнца

Энергия рек

Г идроэлектростанции

Энергия ветра

Ветровые электростанции

Энергия волн

Электростанции, использующие энергию волн

Энергия ископаемых ресурсов (угля, нефти, природного газа и др.), биотопливо

Теплоэлектростанции

Гравитация Луны

Энергия приливов и отливов

Приливные электростанции

Радиоактивные

вещества

Энергия радиоактивного распада

Атомные электростанции

Г еотермальная энергия

Тепло недр Земли

Геотермальные станции

Таблица 1.2. Прогноз исчерпания ресурсов Земли [2]

Вещество

Запасы в год

% роста

Время исчерпания, лет

Уголь

5 1012 т

4,1

150-200

Нефть

4,5 10" т

4,0

40-50

Природный газ

3 1013 м3

4,7

50-70

Урановая руда

85

Время исчерпания ресурсов вычислено в предположении, что в течение будущих десятилетий разведанные ресурсы вырастут в 5 раз по сравнению сданными, приведенными в таблице.

В табл. 1.2 [2] представлены прогнозные данные, характеризующие запасы основных ресурсов (уголь, нефть, природный газ, урановая руда), средний годовой процент увеличения их потребления в масштабах всей планеты и прогнозируемое время их исчерпания.

Прежде чем переходить к изложению последующего материала, следует отметить, что как само название направления («силовая электроника»), так и терминология в этой области еще находятся в стадии формирования. Достаточно напомнить, что даже в широко используемой в Интернете Википедии по категории «силовая электроника» нет общепринятой «основной статьи», хотя в то же время там содержатся только две «подкатегории»: «источники питания» и «системы управления электродвигателями», в которых имеются ссылки на более трех десятков страниц, где содержатся характеристики таких терминов, как «электрический привод», «тиристор», «выпрямитель», «тиристорный регулятор мощности», ГС ВТ и другие термины.

Силовая электроника как научно-техническое направление сформироваласьдля эффективного регулирования преобразованием электрической энергии. В общем виде (табл. 1.3) все известные системы преобразования электрической энергии можно представить в виде структуры, содержащей следующие блоки: блок реализации алгоритмов управления, блок сопряжения, выходной блок преобразования и управления исполнительным устройством. Микросхемы и дискретные приборы, выполняющие функции этих блоков систем преобразования электрической энергии, относятся к элементной базе силовой электроники, описанию структур и особенностей применения которых в реальных приборах и системах посвящены последующие главы этой книги.

Таблица 1.3. Типовая структура системы преобразования электрической энергии

Система преобразования электрической энергии

Блок реализации алгоритмов управления

Блок

сопряжения

Выходной блок преобразования и управления исполнительным устройством

Более двух третей всей вырабатываемой в мире электроэнергии потребляется в преобразованном виде.

Согласно данным американской фирмы International Rectifier, одного из крупнейших изготовителей элементов силовой электроники, больше всего электрической энергии в мире потребляют электродвигатели (55%), на втором месте — осветительные приборы (21%). Мощные источники питания для всех типов электронного оборудования (средств связи, компьютерного оборудования и других потребителей) потребляют всего 6% электрической энергии, а на остальных потребителей приходится оставшиеся лишь 18%.

Используя процесс преобразования электроэнергии, позволяющий перейти от устаревших ламп накаливания к электронным флуоресцентным лампам, можно вдвое снизить потребление энергии. Флуоресцентные лампы потребляют на 75% энергии меньше, чем лампы накаливания, при одном и том же уровне освещенности. По другим источникам информации, замена традиционных ламп накаливания «сверхяркими» светодиодами с питанием от специальных драйверов — преобразователей электроэнергии позволит сберечь около 20% всей потребляемой мировой электроэнергии.

Около 40% потребляемой энергии можно сэкономить за счет замены «старых» нерегулируемых двигателей на электрический привод с электронным регулированием.

В большинстве находящихся в эксплуатации типовых холодильников в настоящее время для управления работой основного энергопотребляющего агрегата — компрессора используется нерегулируемый электродвигатель. В настоящее время ведущие производители холодильников уже поставляют на мировой рынок компрессоры с изменяющейся скоростью работы электродвигателя компрессора. Для типовых бытовых холодильников с объемом 20 куб. футов (566 куб. дм) это означает снижение домашнего потребления энергии более чем на 70%.

Полупроводниковые устройства преобразования энергии позволяют также существенно уменьшить объемы и габаритные размеры радиоэлектронных бытовых и промышленных приборов, снизить требования к их охлаждению, исключить от 5 до 10% потерь энергии в мощных источниках питания для компьютеров, серверов, сетей и телекоммуникационного оборудования.

Таким образом, развитие силовой электроники является одним из несомненных достижений научно-технического прогресса, что заставляет разработчиков различных радиоэлектронных устройств активно изучать и использовать элементную базу силовой электроники в своих изделиях.

В этой связи следует отметить, что требования, предъявляемые, например, к современной радиоэлектронной аппаратуре, которыми руководствовались разработчики 90-х годов прошлого века, подверглись весьма существенному пересмотру и изменениям. Теперь особое внимание уделяется не только их функциональным возможностям и характеристикам, но и массогабаритным показателям и оптимизации расхода электроэнергии, что крайне существенно при работе от аккумуляторов. Подверглись существенному пересмотру и подходы к проектированию систем питания для аппаратуры радиоэлектронных комплексов нового поколения как гражданского, так и военного (наземного, морского, авиационного и космического) применений, как неперемещаемой (стационарной), так и подвижной (мобильной).

Чтобы читатель мог лучше ориентироваться при изучении материала последующих глав, прежде всего, необходимо рассмотреть сложившуюся общепринятую классификацию элементной базы силовой электроники.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >