Лекция 1 - Конспекты

ГЛАВА 1ВВЕДЕНИЕ В СИЛОВУЮ ЭЛЕКТРОНИКУСоставитель:к.т.н. Родин М.В.Москва – 2017Электропитание РЭАГлава 1СОДЕРЖАНИЕ1.1 Введение ............................................................................................................. 31.2 Из истории силовой электроники ..................................................................

81.3 Силовая электроника в наши дни и тенденции её развития ................... 191.4 Электропитание радиоэлектронной аппаратуры: общие сведения ....... 221.5 Области применения источников электропитания .................................. 312Электропитание РЭАГлава 11.1 Введение"Вся жизнь есть энергия / Энергия – вечный восторг!". Так английскийпоэт Ульям Блейк оценил роль энергии в жизни человека.Энергия окружает нас повсюду, об энергии говорят, в энергии нуждаются. В наше время обладание источниками энергии является надёжным инструментом влияния на геополитические реальности.Само слово "энергия" заимствовано из греческого языка и означает "действие".

Чуть сложнее определение "энергии", принятое в науке: "это мера перехода движения материи из одних форм в другие". Есть и более простое определение, известное нам ещё из школы: "это способность тела совершать работу".Энергия может проявляться в разных формах. Так, энергия, которая возникает при движении предмета, одушевлённого или неодушевлённого, называется механической. А энергия, которая освобождается при распаде атомов, называется ядерной. Есть и другие виды энергии – электрическая, гравитационная, солнечная и т. д.Вода, ветер, Солнце обладают огромными запасами энергии, но все этизапасы не были бы использованы, если бы человек не превратил их в полезнуюэнергию.

Так, например, энергию ветра можно трансформировать в электрическую энергию. На велосипедах, снабжённых генераторами постоянного тока,движение педалей, то есть кинетическая энергия, преобразуется в электрическую, зажигается лампочка – и нам предоставляется световая энергия. Телевизор преобразует электрическую энергию в световую и звуковую и т. д. Энергияне исчезает и не появляется вновь, а только переходит из одной формы в другую.Возможности энергии безграничны. Недаром учёные когда-то называлиеё "живой силой". Однако энергия – основа жизни не только человека, а вернее,не только живого мира, но и многочисленных технических средств, которыенас окружают.

Так, автомобилю требуется бензин, паровозу нужен уголь, атом3Электропитание РЭАГлава 1ной станции – уран, а мобильным телефонам и ноутбукам нужен аккумулятор изарядное устройство.Во второй половине XX-го века все области техники, прежде всеготранспортная, информационная и вычислительная, развивались настолько быстро, что прежнее аграрно-промышленное общество превратилось в техническое (информационное) общество. Энергопотребление человека в таком обществе возросло ещё больше и составляет в наши дни до 1000 МДж в сутки. Еслиусловно считать потреблением энергии и питание, то из названного количестваэнергии пища составляет всего 4%, бытовые нужды – 27%, промышленность исельское хозяйство – 40% и транспорт – 27%.Сегодня ни одно из окружающих нас технических средств, в том числерадиоэлектронных – будь то бытовая техника, промышленное оборудование,вооружение или специальная техника – не может существовать без электрической энергии, поскольку в каждое из них входит устройство, потребляющееэлектроэнергию.Согласно ряду экспертных оценок, на долю электроэнергии в мире приходится 39% от общего мирового потребления энергии.

И спрос на электроэнергию только растёт – в течение следующих 10 лет ожидается повышениеспроса на 20%.Таким образом, решение многих современных проблем в области применения радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), связанных с потреблением электрической энергии, невозможно без устройств и элементов силовой электроники.А что такое силовая электроника?Современные радиоэлектронные системы (РЭС) включают в себя, какправило, две сильно отличающиеся электронные составляющие: информационную и энергетическую (силовую).

Последняя включает в себя устройства, обеспечивающие электрической энергией все остальные составляющие РЭС.4Электропитание РЭАГлава 1Таким образом, электроника как наука о взаимодействии заряженныхчастиц с электромагнитными полями в настоящее время имеет два основныхнаучно-технических направления – информационная электроника и силоваяэлектроника.Информационная электроника – научно-техническое направление, связанное с созданием информации в виде электрических сигналов, обработкой,передачей, хранением и использованием этой информации.

Информационнаяэлектроника является основой радиоэлектроники, занимающейся в том числеразработкой и производством приборов и устройств для систем генерирования,обработки, передачи и использования информационных сигналов.Под силовой электроникой будем понимать область науки и техники, которая решает проблемы создания силовых электронных приборов, а также преобразования параметров электроэнергии посредством этих электронных приборов.Термин "силовая электроника" появился в начале 1970-х гг.

Ранее эта область науки и техники включалась в промышленную электронику.Как научно-техническое направление силовая электроника охватываетметоды и средства управления потоками электрической энергии с помощью силовых электронных приборов. Это широкая межотраслевая дисциплина, включающая в себя электронные приборы, устройства преобразования параметров(тока, напряжения, частоты) электрической энергии, коммутаторы электрических цепей, сложные электротехнические и электромеханические системы(системы бесперебойного электропитания, электроприводы и т.

д.). Современная силовая электроника тесно взаимодействует с физикой полупроводников,цифровой техникой, теорией управления, наукой об электромагнитизме, схемотехникой, техникой преобразования параметров электроэнергии и т. д. (рисунок1.1).5Электропитание РЭАГлава 1Без преувеличения можно сказать, что силовая электроника являетсямускулами XXI века, дополняя информационную электронику – интеллект XXIвека.Рисунок 1.1 – Взаимодействие силовой электроники с другими разделами наукии техникиНаиболее распространёнными типовыми устройствами силовой электроники являются:- бесконтактные переключающие устройства переменного и постоянноготока (прерыватели), предназначенные для включения или выключения нагрузкив цепи переменного или постоянного тока и, иногда, для регулирования мощности нагрузки (используются в кондиционерах, холодильниках и т.

д.);- выпрямители, преобразующие переменное напряжение в напряжениеодной полярности (зарядные устройства мобильных телефонов, телевизоры,компьютеры и т. д.);- инверторы, преобразующие постоянное напряжение в переменное (дляэлектропитания потребителей переменного тока от автомобильного аккумулятора);6Электропитание РЭАГлава 1- преобразователи частоты, преобразующие переменное напряжение одной частоты в переменное напряжение другой частоты (применяют для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронногодвигателя за счёт создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты; например, в насосах и вентиляторах: поскольку потребляемая мощность пропорциональна кубу скорости вращения, то использование преобразователя частоты позволяет сэкономить энергопотребление до60%; к примеру, годовое использование частотного преобразователя окупаетвсе затраты на его приобретение);- преобразователи постоянного напряжения (конверторы), преобразующие постоянное напряжение одной величины в постоянное напряжение другойвеличины (компьютеры, мобильные телефоны и т.

д.);- преобразователи числа фаз, преобразующие переменное напряжение содним числом фаз в переменное напряжение с другим числом фаз (обычно однофазное напряжение преобразуется в трёхфазное или трёхфазное – в однофазное);- компенсаторы (корректоры коэффициента мощности), предназначенныедля компенсации реактивной мощности в питающей сети переменного напряжения и для компенсации искажений формы тока и напряжения (компьютеры,бытовая техника и т. д.).Так как устройства силовой электроники выполняют преобразованиеэлектрической энергии, то очень часто их называют электропреобразовательной техникой.Устройства силовой электроники, как типовые, так и специализированные, используют практически во всех РЭС, в том числе в- радиолокационных и радионавигационных станциях (РЛС и РНС);- связных приёмопередатчиках;- системах радиоуправления;7Электропитание РЭАГлава 1- оборудовании для радио- и телевещания и т.

д.1.2 Из истории силовой электроникиСиловая электроника, несмотря на то что появилась как термин сравнительно недавно, имеет глубокие корни, упирающиеся, прежде всего, в открытиеисточников тока и первые опыты с электричеством.В 1791 г. итальянский анатом Луиджи Гальвани обнаружил, что при соприкосновении двух разнородных металлов с телом препарированной лягушкипоявляется электричество. Л. Гальвани ошибочно объяснил это явление наличием особого "животного электричества".Справедливости ради надо отметить, что Л. Гальвани был не так уж далёкот истины: как это установили позднее, жизненные процессы в любом организме сопровождаются возникновением электричества, которое с полным основанием может быть названо животным, однако, с электричеством, открытым самим Л.

Гальвани, оно не имеет ничего общего.Вскоре другой итальянский учёный, Алессандро Вольта, дал этим опытаминое объяснение. Он доказал, что электрические явления, которые наблюдалЛ. Гальвани, объясняются только тем, что определённая пара разнородных металлов, разделённая слоем специальной электропроводящей жидкости, служит источником электрического тока, протекающего по замкнутым проводникам внешней цепи. Эта теория, разработанная А. Вольтой в 1794 г., позволилаему в 1799 г., поместив медный и цинковый электроды в разбавленную сернуюкислоту, получить первый в мире источник электрического тока, который назывался Вольтов столб.Он представлял собой набор пластин из двух металлов, меди и цинка,разделённых прокладками из войлока, смоченного в соляном растворе или щелочи (рисунок 1.2).

А. Вольта создал прибор, способный за счёт химическойэнергии производить электризацию тел и, следовательно, поддерживать в проводнике движение зарядов, то есть электрический ток. Скромный А. Вольта на8Электропитание РЭАГлава 1звал своё изобретение в честь Л. Гальвани "гальваническим элементом", а электрический ток, получающийся от этого элемента – "гальваническим током".Вскоре сам Наполеон пригласил А. Вольта в Париж, лично присутствовал надемонстрации опыта, осыпал наградами и почестями.Рисунок 1.2 – Вольтов столбВпоследствии стали набирать целые "столбы" из медных и цинковых колец, переложенных матерчатыми прокладками, смоченными серной кислотой.Столбы эти, названные "вольтовыми", давали достаточно больше напряжение –с их помощью были проведены первые основополагающие опыты по электротехнике.