ما هي إلكترونيات الطاقة

في هذه المقالة سوف نتحدث عن إلكترونيات الطاقة. ما هي إلكترونيات الطاقة ، وما الذي تقوم عليه ، وما هي مزاياها وما هي آفاقها؟ دعنا نتحدث عن مكونات إلكترونيات الطاقة ، وننظر بإيجاز في ماهيتها ، وكيف تختلف عن بعضها البعض ، وما هي التطبيقات المناسبة لهذه الأنواع أو تلك الأنواع من مفاتيح أشباه الموصلات. فيما يلي أمثلة لأجهزة الطاقة الإلكترونية المستخدمة في الحياة اليومية ، وفي التصنيع ، وفي الحياة اليومية.

في السنوات الأخيرة ، حققت أجهزة إلكترونيات الطاقة طفرة تكنولوجية كبيرة في الحفاظ على الطاقة. تتيح أجهزة أشباه موصلات الطاقة ، نظرًا لإمكانية التحكم فيها المرنة ، التحويل الفعال للكهرباء. لقد أدت مقاييس الوزن والحجم والكفاءة اليوم بالفعل إلى نقل المحولات إلى مستوى جديد نوعيًا.

تستخدم العديد من الصناعات المبتدئين ، وأجهزة التحكم في السرعة ، وإمدادات الطاقة غير المنقطعة ، والتي تعمل على أساس أشباه الموصلات الحديثة وتظهر كفاءة عالية. إنها كلها إلكترونيات الطاقة.

يتم التحكم في تدفق الطاقة الكهربائية في إلكترونيات الطاقة بمساعدة مفاتيح أشباه الموصلات ، والتي تحل محل المفاتيح الميكانيكية والتي يمكن التحكم فيها وفقًا للخوارزمية اللازمة للحصول على متوسط ​​الطاقة المطلوبة والعمل الدقيق للجسم العامل لهذا أو ذاك معدات.

لذلك ، تُستخدم إلكترونيات الطاقة في النقل ، في صناعة التعدين ، في مجال الاتصالات ، في العديد من الصناعات ، واليوم لا يمكن لأي جهاز منزلي قوي الاستغناء عن وحدات الطاقة الإلكترونية المضمنة في تصميمه.

إن اللبنات الأساسية لإلكترونيات الطاقة هي على وجه التحديد المكونات الرئيسية لأشباه الموصلات التي يمكنها فتح وإغلاق الدائرة بسرعات مختلفة تصل إلى ميغا هرتز. في حالة التشغيل ، تكون مقاومة المفتاح هي وحدات وكسور أوم ، وفي حالة إيقاف التشغيل ، ميغا أوم.

لا تتطلب إدارة المفاتيح قدرًا كبيرًا من الطاقة ، ولا تتجاوز الخسائر على المفتاح أثناء عملية التبديل ، مع برنامج تشغيل جيد التصميم ، واحد بالمائة. لهذا السبب ، فإن كفاءة إلكترونيات الطاقة عالية مقارنة بالمواضع الخاسرة لمحولات الحديد والمفاتيح الميكانيكية مثل المرحلات التقليدية.

أجهزة الطاقة الإلكترونية هي الأجهزة التي يكون فيها التيار الفعال أكبر من أو يساوي 10 أمبير. في هذه الحالة ، يمكن أن تكون عناصر أشباه الموصلات الرئيسية: الترانزستورات ثنائية القطب ، الترانزستورات ذات التأثير الميداني ، الترانزستورات IGBT ، الثايرستور ، التيرستورات ، الثايرستور القفل ، الثايرستور المثبت مع التحكم المتكامل.

تسمح لك قوة التحكم المنخفضة أيضًا بإنشاء دوائر كهربائية صغيرة يتم فيها دمج العديد من الكتل في وقت واحد: المفتاح نفسه ، ودائرة التحكم ودائرة التحكم ، وهذه هي ما يسمى بالدوائر الذكية.

تُستخدم وحدات البناء الإلكترونية هذه في كل من التركيبات الصناعية عالية الطاقة والأجهزة الكهربائية المنزلية. فرن حثي لبضعة ميغاوات أو جهاز بخار منزلي لبضعة كيلووات - كلاهما لهما مفاتيح طاقة صلبة تعمل ببساطة بقدرة مختلفة.

وبالتالي ، تعمل الثايرستور بالطاقة في محولات بسعة تزيد عن 1 ميجا فولت أمبير ، في دوائر محركات كهربائية ذات تيار مباشر ومحركات تيار متناوب ذات جهد عالٍ ، وتستخدم في التركيبات لتعويض الطاقة التفاعلية ، في منشآت الصهر التعريفي.

يتم التحكم في قفل الثايرستور بشكل أكثر مرونة ، حيث يتم استخدامه للتحكم في الضواغط والمراوح والمضخات بسعة مئات كيلو فولت أمبير ، وتتجاوز قدرة التحويل المحتملة 3 ميجا فولت أمبير. الترانزستورات IGBT تمكن من نشر المحولات بسعة تصل إلى وحدات MVA لأغراض مختلفة ، سواء من أجل التحكم في المحرك أو لتوفير مصدر طاقة مستمر وتحويل التيارات العالية في العديد من التركيبات الثابتة.

تتمتع MOSFETs بإمكانية تحكم ممتازة على ترددات تصل إلى مئات الكيلوهرتز ، مما يوسع بشكل كبير نطاق قابليتها للتطبيق مقارنة بـ IGBTs.

تعتبر Triacs مثالية لبدء تشغيل محركات التيار المتردد والتحكم فيها ، ويمكن أن تعمل بترددات تصل إلى 50 كيلو هرتز ، وتتطلب طاقة أقل للتحكم من ترانزستورات IGBT.

اليوم ، لدى IGBTs جهد تبديل أقصى يبلغ 3500 فولت وربما 7000 فولت.قد تحل هذه المكونات محل الترانزستورات ثنائية القطب في السنوات القادمة وسيتم استخدامها على معدات تصل إلى وحدات MVA. بالنسبة للمحولات منخفضة الطاقة ، ستظل الدوائر MOSFET مقبولة أكثر ، ولأكثر من 3 MVA - ثايرستور مغلق.

وفقًا لتوقعات المحللين ، سيكون لمعظم أشباه الموصلات في المستقبل تصميم معياري ، حيث يوجد اثنان إلى ستة عناصر رئيسية في حزمة واحدة. يتيح لك استخدام الوحدات النمطية تقليل وزن وحجم وتكلفة المعدات التي سيتم استخدامها فيها.

بالنسبة للترانزستورات IGBT ، سيكون التقدم زيادة في التيارات تصل إلى 2 كيلو أمبير عند الفولتية حتى 3.5 كيلو فولت وزيادة في ترددات التشغيل حتى 70 كيلو هرتز مع أنظمة تحكم مبسطة. لا يمكن أن تحتوي الوحدة النمطية على مفاتيح التبديل والمُعدِّل فحسب ، بل يمكن أن تحتوي أيضًا على سائق ودوائر حماية نشطة.

لقد حسنت الترانزستورات والثنائيات والثايرستور المصنعة في السنوات الأخيرة بالفعل بشكل كبير معاييرها ، مثل التيار والجهد والسرعة والتقدم الذي لا يزال ثابتًا.

من أجل تحويل أفضل للتيار المتردد إلى تيار مباشر ، يتم استخدام مقومات محكومة ، والتي تسمح بتغيير سلس للجهد المعدل في النطاق من الصفر إلى الاسمي.

اليوم ، في أنظمة إثارة محرك كهربائي DC ، يتم استخدام الثايرستور بشكل أساسي في المحركات المتزامنة. يحتوي الثايرستور المزدوج - التيرستورات - على قطب بوابة واحد فقط لاثنين من الثايرستور المتصلين ، مما يجعل التحكم أسهل.

لإجراء العملية العكسية ، يتم استخدام تحويل الجهد المباشر إلى جهد متناوب محولات… تعطي محولات تبديل أشباه الموصلات المستقلة تردد الإخراج والشكل والسعة التي تحددها الدائرة الإلكترونية ، وليس بواسطة الشبكة. يتم تصنيع المحولات بناءً على أنواع مختلفة من العناصر الرئيسية ، ولكن بالنسبة للقوى الكبيرة ، فإن أكثر من 1 ميجا فولت أمبير ، مرة أخرى ، تظهر محولات الترانزستور IGBT في الأعلى.

على عكس الثايرستور ، توفر IGBTs تشكيلًا أوسع وأكثر دقة لتيار الإخراج والجهد. تستخدم محولات السيارة منخفضة الطاقة ترانزستورات ذات تأثير ميداني في عملهم ، والتي تقوم بعمل ممتاز بتحويل التيار المباشر لبطارية 12 فولت ، أولاً إلى تيار مباشر ، من خلال محول نبضي عالي التردد يعمل بقدرة تصل إلى 3 كيلو واط بتردد من 50 كيلوهرتز إلى مئات كيلوهرتز ، ثم بالتناوب 50 أو 60 هرتز.

لتحويل تيار من تردد إلى تيار تردد آخر ، استخدم محولات تردد أشباه الموصلات... في السابق ، كان يتم ذلك فقط على أساس الثايرستور ، الذي لم يكن لديه إمكانية التحكم الكامل ؛ كان من الضروري تطوير مخططات معقدة للقفل القسري للثايرستور.

إن استخدام المفاتيح مثل MOSFETs ذات التأثير الميداني و IGBTs يسهل تصميم وتنفيذ محولات التردد ، ويمكن التنبؤ بأن الثايرستور ، خاصة في الأجهزة منخفضة الطاقة ، سيتم التخلي عنها لصالح الترانزستورات في المستقبل.

لا تزال الثايرستور تستخدم لعكس المحركات الكهربائية ؛ يكفي وجود مجموعتين من محولات الثايرستور لتوفير اتجاهين مختلفين للتيار دون الحاجة إلى التبديل. هذه هي الطريقة التي تعمل بها البادئات الحديثة القابلة للانعكاس من عدم الاتصال.

نأمل أن تكون مقالتنا القصيرة مفيدة لك والآن أنت تعرف ماهية إلكترونيات الطاقة ، وما هي عناصر إلكترونيات الطاقة المستخدمة في الأجهزة الإلكترونية للطاقة ومدى عظمة إمكانات إلكترونيات الطاقة لمستقبلنا.