Cos'è l'elettronica di potenza

In questo articolo parleremo di elettronica di potenza. Cos'è l'elettronica di potenza, su cosa si basa, quali sono i vantaggi e quali le sue prospettive? Soffermiamoci sui componenti dell'elettronica di potenza, consideriamo brevemente cosa sono, in che modo differiscono l'uno dall'altro e per quali applicazioni sono adatti questi o quei tipi di interruttori a semiconduttore. Ecco alcuni esempi di dispositivi elettronici di potenza utilizzati nella vita di tutti i giorni, nella produzione e nella vita di tutti i giorni.

Negli ultimi anni, i dispositivi elettronici di potenza hanno compiuto un importante passo avanti tecnologico nel risparmio energetico. I dispositivi a semiconduttore di potenza, grazie alla loro controllabilità flessibile, consentono una conversione efficiente dell'elettricità. I parametri odierni di peso, dimensioni ed efficienza hanno già portato i convertitori a un livello qualitativamente nuovo.

Molte industrie utilizzano avviatori statici, regolatori di velocità, gruppi di continuità, funzionanti su una moderna base di semiconduttori e caratterizzati da un'elevata efficienza. È tutta elettronica di potenza.

Il controllo del flusso di energia elettrica nell'elettronica di potenza viene effettuato con l'ausilio di interruttori a semiconduttore, che sostituiscono gli interruttori meccanici e che possono essere controllati secondo l'algoritmo necessario per ottenere la potenza media richiesta e l'azione precisa del corpo di lavoro di questo o quello attrezzatura.

Quindi, l'elettronica di potenza viene utilizzata nei trasporti, nell'industria mineraria, nel campo delle comunicazioni, in molti settori, e oggi nessun elettrodomestico potente può fare a meno delle unità elettroniche di potenza incluse nel suo design.

Gli elementi costitutivi di base dell'elettronica di potenza sono proprio i componenti chiave dei semiconduttori che possono aprire e chiudere un circuito a varie velocità, fino a megahertz. Nello stato acceso, la resistenza dell'interruttore è unità e frazioni di ohm e nello stato spento, megaohm.

La gestione delle chiavi non richiede molta potenza e le perdite sulla chiave verificatesi durante il processo di commutazione, con un driver ben progettato, non superano l'uno percento. Per questo motivo, l'efficienza dell'elettronica di potenza è elevata rispetto alle posizioni con perdita dei trasformatori in ferro e degli interruttori meccanici come i relè convenzionali.

I dispositivi elettronici di potenza sono dispositivi in ​​cui la corrente effettiva è maggiore o uguale a 10 ampere. In questo caso, gli elementi semiconduttori chiave possono essere: transistor bipolari, transistor ad effetto di campo, transistor IGBT, tiristori, triac, tiristori lock-in e tiristori lock-in con controllo integrato.

La bassa potenza di controllo consente inoltre di creare microcircuiti di potenza in cui vengono combinati più blocchi contemporaneamente: l'interruttore stesso, il circuito di controllo e il circuito di controllo, questi sono i cosiddetti circuiti intelligenti.

Questi elementi costitutivi elettronici sono utilizzati sia negli impianti industriali ad alta potenza che negli elettrodomestici. Un forno a induzione per pochi megawatt o un piroscafo domestico per pochi kilowatt: entrambi hanno interruttori di alimentazione a stato solido che funzionano semplicemente a diversi wattaggi.

Pertanto, i tiristori di potenza funzionano in convertitori con una capacità superiore a 1 MVA, nei circuiti di azionamenti elettrici con azionamenti in corrente continua e in corrente alternata ad alta tensione, sono utilizzati negli impianti per la compensazione della potenza reattiva, negli impianti per la fusione a induzione.

I tiristori di blocco sono controllati in modo più flessibile, vengono utilizzati per controllare compressori, ventilatori, pompe con una capacità di centinaia di kVA e la potenziale potenza di commutazione supera i 3 MVA. Transistor IGBT consentono l'impiego di convertitori con una capacità fino a unità MVA per vari scopi, sia per il controllo del motore che per fornire alimentazione continua e commutazione di correnti elevate in molte installazioni statiche.

I MOSFET hanno un'eccellente controllabilità a frequenze di centinaia di kilohertz, che amplia notevolmente la loro gamma di applicabilità rispetto agli IGBT.

I triac sono ottimali per l'avviamento e il controllo di motori CA, possono funzionare a frequenze fino a 50 kHz e richiedono meno energia per il controllo rispetto ai transistor IGBT.

Oggi gli IGBT hanno una tensione di commutazione massima di 3500 volt e potenzialmente 7000 volt.Questi componenti potrebbero sostituire i transistor bipolari nei prossimi anni e saranno utilizzati su apparecchiature fino a unità MVA. Per i convertitori a bassa potenza, i MOSFET rimarranno più accettabili e per più di 3 MVA - tiristori lock-in.

Secondo le previsioni degli analisti, la maggior parte dei semiconduttori in futuro avrà un design modulare, in cui da due a sei elementi chiave si trovano in un unico pacchetto. L'uso dei moduli consente di ridurre il peso, le dimensioni e il costo delle apparecchiature in cui verranno utilizzati.

Per i transistor IGBT, il progresso sarà un aumento delle correnti fino a 2 kA a tensioni fino a 3,5 kV e un aumento delle frequenze operative fino a 70 kHz con schemi di controllo semplificati. Un modulo può contenere non solo interruttori e un raddrizzatore, ma anche un driver e circuiti di protezione attivi.

Transistor, diodi, tiristori prodotti negli ultimi anni hanno già notevolmente migliorato i loro parametri, come corrente, tensione, velocità e il progresso non si ferma.

Per una migliore conversione della corrente alternata in corrente continua, vengono utilizzati raddrizzatori controllati, che consentono una variazione graduale della tensione raddrizzata nell'intervallo da zero a nominale.

Oggi, nei sistemi di eccitazione dell'azionamento elettrico CC, i tiristori sono utilizzati principalmente nei motori sincroni. I doppi tiristori - triac - hanno un solo elettrodo di gate per due tiristori antiparalleli collegati, il che rende il controllo ancora più semplice.

Per eseguire il processo inverso, viene utilizzata la conversione della tensione continua in tensione alternata inverter… Gli inverter di commutazione a semiconduttore indipendenti forniscono una frequenza, una forma e un'ampiezza di uscita determinate dal circuito elettronico, non dalla rete. Gli inverter sono realizzati sulla base di diversi tipi di elementi chiave, ma per grandi potenze, più di 1 MVA, ancora una volta, gli inverter a transistor IGBT sono i migliori.

A differenza dei tiristori, gli IGBT forniscono una definizione più ampia e accurata della corrente e della tensione di uscita. Gli inverter per auto a bassa potenza utilizzano transistor ad effetto di campo nel loro lavoro, che con potenze fino a 3 kW svolgono un ottimo lavoro nel convertire la corrente continua di una batteria da 12 volt, prima in corrente continua, attraverso un convertitore di impulsi ad alta frequenza funzionante ad una frequenza da 50 kHz a centinaia di kilohertz, quindi alternando 50 o 60 Hz.

Per convertire una corrente di una frequenza in una corrente di un'altra frequenza, utilizzare convertitori di frequenza a semiconduttore… In precedenza, ciò veniva fatto esclusivamente sulla base di tiristori, che non avevano piena controllabilità; era necessario sviluppare schemi complessi per il bloccaggio forzato dei tiristori.

L'uso di interruttori come MOSFET ad effetto di campo e IGBT facilita la progettazione e l'implementazione di convertitori di frequenza e si può prevedere che in futuro i tiristori, specialmente nei dispositivi a bassa potenza, saranno abbandonati a favore dei transistor.

I tiristori sono ancora utilizzati per invertire gli azionamenti elettrici; è sufficiente disporre di due serie di convertitori a tiristori per fornire due diverse direzioni di corrente senza necessità di commutazione. Ecco come funzionano i moderni avviatori reversibili senza contatto.

Speriamo che il nostro breve articolo ti sia stato utile e ora sai cos'è l'elettronica di potenza, quali elementi dell'elettronica di potenza sono utilizzati nei dispositivi elettronici di potenza e quanto è grande il potenziale dell'elettronica di potenza per il nostro futuro.