Черных, С. В. Электроника: Лабораторный практикум на Electronics Workbench : учеб.-метод, пособие для студ. - Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2008. - 96 с.

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ВИЭ и ЭСС

« »________ 20__ г.

Лекция № 1

Тема: Введение. Цели и задачи учебной дисциплины «Разработка электронных устройств», методические рекомендации по ее изучению. Общие понятия об электронных аппаратах. Области применения электронных аппаратов.

Цель:

1. Ознакомиться с целями и задачами учебной дисциплины, с рекомендациями по ее изучению. 2. Изучить общие понятия об электронных устройствах. 3. Ознакомиться с областями применения электронных аппаратов.

Время: 2 часа.

Вопросы темы:

Цели и задачи учебной дисциплины «Разработка электронных устройств», методические рекомендации по ее изучению.
Общие понятия об электронных аппаратах, их достоинства и недостатки. Классификация электронных аппаратов.
Области применения электронных аппаратов.

Литература:

Шопен Л.В. Бесконтактные электрические аппараты автоматики/

Л.В. Шопен, - М.: Энергоатомиздат, 1986. – 568с., стр. 10 – 18.

1. Введение. Цели и задачи учебной дисциплины «Разработка электронных устройств», методические рекомендации по ее изучению.

а) Введение

Внедрение электронных аппаратов в производство объясняется ростом потребления электроэнергии и необходимостью ее экономии. Успешное применение электронных аппаратов стало возможным только с развитием силовой электроники, как составной части энергетической электроники, а именно, с разработкой надежных силовых электронных компонентов и средств управления ими. Здесь следует отметить, что наиболее перспективным направлением в силовой электронике являются интеллектуальные (Smart) силовые компоненты: интегрированные силовые микросхемы (Smart power), ключи и модули. Сегодня данный процесс стремительно происходит благодаря успехам в совершенствовании технологии изготовления и, как следствие, значительному улучшению параметров мощных полевых транзисторов (HOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGВТ), тиристоров, симисторов, силовых драйверов более высокой степени интеграции. Интеграция схем управления (драйверов, контроллеров) в силовые ключи затем в исполнительные устройства и Разработка электронных устройств стала и необходимым и оправданным шагом. В настоящее время, а тем более в будущем, интеллектуальным силовым компонентам в силовой электронике альтернативы не предвидится. Таким образом, перспектива развития электронных аппаратов напрямую зависит от перспективы развития интеллектуальной силовой электроники.

б) Цели и задачи учебной дисциплины «Разработка электронных устройств», методические рекомендации по ее изучению,

Учебная дисциплина «Разработка электронных устройств» предназначена для бакалавров направления «Электроэнергетика и электротехника».

Целью преподавания дисциплины является изучение теоретических основ, принципа действия, элементарной базы, основных характеристик и методов расчета электронных устройств, предназначенных для коммутации электрических цепей без их физического разрыва. В процессе изучения дисциплины студенты приобретают знание теории, принципов действия, навыки расчета современных электронных аппаратов, применяемых в автоматизированном электроприводе и электрических сетях электроснабжения.

Курс «Разработка электронных устройств» основан на базовых естественнонаучных и общепрофессиональных дисциплинах, таких как: физика, теоретические основы электротехники, промышленная электроника, автоматизированный электропривод, потребители электрической энергии, электрические аппараты и электрические сети и системы.

Дисциплина изучается в 6-м семестре. Учебным планом предусмотрено всего 76 часов: лекции – 18 часов и практические занятия – 8 часов, лабораторные занятия на ЭВМ 8 часов, и 2 часа – на материальной части.

Форма итогового контроля по дисциплине «Разработка электронных устройств» - зачет с оценкой.

Учебная дисциплина «Разработка электронных устройств» во многих отечественных ВУЗах является разделом более общей дисциплины «Электрические аппараты». Вполне методически обосновано, выделение её в отдельную дисциплину, в связи с бурным развитием силовой электроники, как составной части энергетической электроники. Поскольку, в разделах дисциплины «Электрические аппараты» по электронным аппаратам содержаться в основном общие сведения, и не отражается информация о новых изменениях, учебный материал следует искать в технических журналах и системе «Интернет». Поэтому при изучении учебного материала рекомендую ориентироваться на конспект лекций и использовать графический материал на электронных носителях. Однако, по отдельным вопросам курса изучаемый материал можно найти в литературе, как указано ниже:

1. Шопен Л.В. Бесконтактные электрические аппараты автоматики / Л.В. Шопен. – М; Энергоатомиздат, 1986. – 568 с.

2. Брауфман С.С. Тиристорные переключатели переменного тока / С.С. Бауфман, Н.А. Трофимов. – М. : Энергия, 1979. – 64 с.

3. Бирюков С.А. Цифровые устройства на интегральных микросхемах. – М.: Радио и связь, 1991. – 184 с.

4. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. М.: Энергоатомиздат, 1992.-296 с': ил.

5. Электрические и Разработка электронных устройств: учебное пособие / сост. Н.Ю. Сипайлова; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 236 с.

6. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики применение. Изд. 2-е, перераб. и доп. — М.: Издательский дом Додэка-ХХ1 2005. -384 с.

7. Зиновьев Г. С. Основы силовой электроники; учеб. пособие. - Изд. 2-е. испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003, -664 с.

Черных, С. В. Электроника: Лабораторный практикум на Electronics Workbench : учеб.-метод, пособие для студ. - Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2008. - 96 с.

9. Кардашев Г.А. Виртуальная электроника. Компьютерное моделирование аналоговых устройств. - М.: Горячая линия -Телеком, 2002. - 260 с:

2. Общие понятия об электронных аппаратах, их достоинства и недостатки. Классификация электронных аппаратов.

Определение. Бесконтактным электронным аппаратом называется устройство, предназначенное для включения и отключения (коммутации) электрических цепей без физического разрыва самой цепи, для защиты электрических цепей.

Принцип действия бесконтактных аппаратов основан на использовании элементов обладающих нелинейной вольт – амперной характеристикой. Наиболее распространенными элементами с нелинейной ВАХ являются элементы с нелинейным активным сопротивлением (полупроводниковые приборы). Нелинейные элементы включаются в рабочую электрическую цепь между источником питания и нагрузкой и могут изменять свое сопротивление электрическому току от сравнительно малого до большого. Это изменение сопротивления обычно осуществляется с помощью специальной цепи управления, причем с небольшой затратой мощности в цепи управления, управляют большой мощностью в цепи нагрузки.

IGBT – модуль IGBT – модуль Semikron

В сильноточных электрических цепях, которые используются в энергетической электронике, применяют следующие электронные компоненты: дискретные транзисторы и тиристоры, а также модули на их основе. Из силовых транзисторов наибольшее распространение получили мощные полевые HOSFET – транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGВТ). По оценкам специалистов можно реально прогнозировать, что HOSFET прочно займут нишу примерно до 10 кВт при напряжениях 1500 В, а затем и до 1700 – 2000 В. IGBT уверенно утвердятся в диапазоне мощностей от сотен до тысяч киловатт при напряжениях до 6000 – 8000 В.

Тиристор штыревой.

Тиристор таблеточный.

Из тиристоров чаще всего используются триодные тиристоры (тринисторы или SCR) и модули на их основе. Все они характеризуются достаточно быстрым временем включения, которые составляют единицы микросекунд и малым временем отключения (для современных тиристоров лежит в пределах 10... 30 мкс). Тиристоры имеют относительно низкую стоимость по сравнению с транзисторами и высокую кратковременную перегрузочную способность по току, что делает их конкурентноспособными при коммутации асинхронных двигателей, которые имеют большие пусковые токи ( = (5…8) ).

Мощный высоковольтный тиристор.

На базе рассмотренных электронных компонентов создаются силовые ключи, которые в свою очередь являются основой электронных аппаратов для энергетической электроники.

Тиристорные модули.

Тиристорный модуль – реклама.

Как уже отмечалось, вместо дискретных мощных транзисторов и тиристоров все чаще применяются интеллектуальные (интегрированные) силовые модули. Назовем их Integrated Power Modules (IPM). На современном этапе развития силовой электроники происходит переход IPM от аналогового на цифровое управление при использовании более продвинутых драйверов и контролеров.

Контроллер МК 19.

Контроллер МК 20.

Драйвер SCALE IGBT – модуль с драйвером

Преобразователь на МК 20.

Широкое применение при встраивании получат микроконтроллеры с развитой инфраструктурой и большим объемом памяти.

Можно выделить основные преимущества полупроводниковых силовых ключей и созданных на их базе электронных аппаратов:

Отсутствие контактов и подвижных частей.
Быстродействие, высокая скорость и частота переключения. Инерционность подвижных частей контактных аппаратов (силовых) ограничивает их быстродействие. В бесконтактных аппаратах подвижных частей нет.
Долговечность. Износ контактов и трущихся частей ограничивает срок службы контактных аппаратов, поэтому он ограничивается числом переключений. В бесконтактных аппаратах ограничений по числу переключений нет.
Простота обслуживания. Исключена чистка, регулировка контактов.
Механическая стойкость. Сохранение работоспособности при любом положении в пространстве (в контактных аппаратах при размещении отличном от нормального может происходить самопроизвольное замыкание).
Бесшумность в работе.

Вместе с тем, Разработка электронных устройств имеют недостатки:

Высокая стоимость, следовательно большие начальные капитальные затраты.
Ограничение в применении. Поэтому бесконтактные аппараты не являются конкурентами контактным, а дополняют их. Контактные обеспечивают коммутации с видимым разрывом, устойчивы к перенапряжениям и перегрузкам.

Разработка электронных устройств делят по назначению на:

- контрольные и защитные аппараты. К ним относятся полупроводниковые реле, контролирующие изменения тока, напряжения, мощности, создающие выдержку времени и др.;

- коммутационные аппараты. Выключатели высокого и низкого напряжения, аппараты управления – контакторы, пускатели, реле управления;

- регулирующие аппараты. Электронные регуляторы, обеспечивающие регулирование тока, напряжения и мощности на нагрузке или поддерживающие эти параметры на заданном уровне с определенной точностью.

3. Области применения электронных аппаратов.

В данном вопросе будут рассматриваться области применения силовых электронных аппаратов, нашедших применение в энергетической электронике.

а) Применение электронных аппаратов для прямого пуска асинхронных двигателей.

Включение силовых тиристорных элементов (СТЭ), представляющих собой встречно – параллельное включение тиристоров, в цепи статора АД позволяет осуществить его бесконтактный пуск и остановку. Реализуется это при помощи бесконтактных контакторов и пускателей. Контакторы и пускатели обычно снабжаются встроенным блоком защиты электродвигателя, имеющим до 6 ступеней защиты (обрыв фазы, перегрев АД, длительные технологические перегрузки, заклинивание ротора, недопустимая несимметрия напряжений фаз, неправильные процессы пуска и торможения). Пускатели находят применения на подвижных объектах и в стационарных установках, на шахтах, в нефтяной, газовой, химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Тиристорный контактор ТК.

Тиристорный пускатель ПТ.

б) Применение электронных аппаратов для формирования переходных процессов АД.

Наиболее напряженным с точки зрения интенсивности протекания переходных процессов является режим пуска АД. Он сопровождается, как правило, 5-8 кратным от номинального значения увеличением пускового тока и возникновением значительных переходных знакопеременных моментов. Для устранения последствий переходного процесса при пуске применяются, так называемые, пускатели мягкого и безударного пуска. Первые называются еще Soft-стартерами, они реализуют импульсно-фазовое регулирование напряжения в процессе разгона АД (повышают его) и в процессе отключения (снижают его). Вторые осуществляют пуск АД с ненулевыми начальными магнитными условиями, позволяющими сохранить неизменными пусковой момент и время разгона двигателя, но устранить знакопеременные моменты.

Устройства плавного пуска применяются в асинхронных электроприводах центрифуг, вентиляторов, дробилок, мельниц, мешалок, насосов и других механизмов с тяжелыми режимами пуска, а также при пуске их от сети ограниченной мощности.

Контроллер плавного пуска АД.

Тиристорный пускатель плавного пуска «БиСТАР».

Тиристорный пускатель Энерджи Сейвер.

в) Применение электронных аппаратов в компенсаторах реактивной мощности.

В цехах с резкопеременной нагрузкой (большое количество подъемно-транспортных механизмов, штамповочных устройств и прессов, сварочных аппаратов) компенсацию реактивной мощности (коммутацию батарей конденсаторов) необходимо осуществлять в короткие периоды времени. Это можно сделать при помощи тиристорных контакторов.

Схема компенсатора реактивной мощности РМ.

Тиристорный Стат. тиристорный компенсатор РМ. Тиристорный комп. РМ

контактор для КБ

г) Применение электронных аппаратов в системах электроснабжения.

Для решения проблем, связанных с потерями напряжения питания в системах электроснабжения необходимо осуществлять противоаварийные действия не post factum, а на периоде аварийного процесса.

Это можно осуществить с помощью быстродействующих тиристорных ключей переменного тока класса 0,4 – 6-10 кВ. Обеспечиваемое тиристорным ключом быстродействие на уровне 10 мс., позволяет создать бесконтактные устройства для управления аварийными режимами в течение переходного процесса в системе электроснабжения.

В настоящее время в системах электроснабжения потребителей применяются бесконтактные устройства:

- тиристорное токоограничивающее устройство – ТОУ – 6-10 кВ, предназначенное для повышения коммутационной способности электромеханических выключателей;

- тиристорное устройство автоматического переключения сети ТАПС, предназначенное для переключения критической нагрузки с основного ввода на резервный;

- тиристорное устройство автоматического ввода резерва: ТАВР, предназначенное для автоматического переключения нагрузки на резервный ввод при исчезновении напряжения на основном вводе.

ТАВР – электрическая схема ТАВР - конструкция

д) Применение тиристорных ключей в регуляторах мощности (напряжения).

Регуляторы предназначены для регулировки напряжения нагрузки в диапазоне от нуля до напряжения питающей сети.

Схема тиристорных регуляторов мощности.

Они широко применяются в процессах нагрева, сушки, плавления, формовки, регулировке освещения.

Управление мощностью в нагрузке осуществляется двумя способами: фазовое управление и управление коммутацией при переходе тока через нуль. Фазовое управление обеспечивает плавность и непрерывность выходного напряжения, но при этом создает помехи при переключении. Подходит для постоянной и переменной резистивной и индуктивной нагрузок. (Инфракрасные лампы, ТЭНы, трансформаторы и т.д.). Управление с коммутацией при переходе через нуль подходит для резистивной и емкостной нагрузок, при этом не создавая помех гармониками при выключении. (ТЭНы, конденсаторные установки и т.д.).

Тиристорный регулятор мощности СД Тиристорный регулятор мощности W5

Тиристорный регулятор температуры.

Тиристорные регуляторы мощности, как правило, имеют следующие виды защит: 1) максимальную токовую; 2) от обрыва фаз; 3) от перегрева тиристоров.

Выводы:

Изложены цели и задачи изучения учебной дисциплины «Разработка электронных устройств».
Даны основные определения и понятия об электронных аппаратах.
Приведены основные преимущества и недостатки бесконтактных аппаратов по сравнению с электромеханическими.
Изложена классификация бесконтактных аппаратов по назначению.
Рассмотрены примеры применения электронных аппаратов в автоматизированном электроприводе, промышленных установках, энергосистеме.

Контрольные вопросы

Цели и задачи изучения учебной дисциплины «Разработка электронных устройств».
Что относится к элементной базе электронных устройств?
Дать основные определения и понятия об электронных аппаратах.
Привести основные преимущества и недостатки бесконтактных аппаратов по сравнению с электромеханическими.
Изложить классификация бесконтактных аппаратов по назначению.
Привести примеры применения электронных аппаратов в автоматизированном электроприводе, промышленных установках, энергосистемах.

Лекцию разработал доцент Н.М. Шайтор

Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры протокол №____

от « »___________ 20___ г.

Дата добавления: 2021-12-10; просмотров: 113; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!