Уведення

Сутність процесу конструювання і проектування пристроїв енергетичної електроніки (ПЕЕ), етапи розвитку конструкцій ПЕЕ, основні проблеми сучасного конструювання ПЕЕ — ці питання визначають зміст, ретроспективу і перспективу розвитку досліджуваної дисципліни.

Сутність процесу конструювання ПЕЕ.

Конструювання як інженерна діяльність є процес пошуку, перебування і відображення в конструкторській документації форми, розмірів і складу виробу, що входять у нього деталей і вузлів, використовуваних матеріалів, що комплектують вироб, взаємного розташування частин і зв'язків між ними, указівок на технологію виготовлення — з метою забезпечити виробництво виробу з заданими властивостями при найменшій трудомісткості виготовлення.

Пошук заснований на логіко-математичному виборі стійких компромісів для задоволення суперечливих вимог технічного завдання на розробку виробу по призначенню і надійності з обліком ремонтопригодності, при використанні матеріалів і комплектуючих виробів, властивості яких обмежені рамками паспортних даних. Пошук проводиться стосовно до умов промислового виробництва, обмеженого вимогою максимальної економічної ефективності, що виявляє себе через вимоги технологічності, уніфікації і стандартизації з урахуванням патентно-правових властивостей.

Одночасне сполучення в пристроях енергетичної електроніки різної елементної бази (від мікропроцесорів до потужних напівпровідникових приладів), систем охолодження (від природного конвекційних до рідинного), робочих струмів (від декількох Амперів до тисяч Амперів), потужностей від декількох Ватів до тисяч кіло Ватт, різних областей застосування та інше накладає на їхнє проектування і конструювання специфічні особливості. Ці особливості настільки істотні, що конструювання ПЕЕ виділяють в окрему область інженерних знань.

Тому що ПЕЕ в загальному випадку можуть складатися з: силової частини; системи керування силовою частиною (силового блоку); пристроїв діагностики; контролю; виміру; то методика підходу до їхнього проектування буде відрізнятися як по функціональній ознаці, так і по конструкторському виконанню. Тому основну, визначальну конструкцію ПЕЕ є силові блоки і система охолодження.

Конструкція ПЕЕ, як і будь-якого складного виробу, складається з безлічі вхідних у нього елементів зі строго регламентованими зв'язками, утворюючи сукупність (систему) з чітко вираженою структурною градацією і з властивостями, не рівними сумі властивостей елементів.

Конструкція ПЕЕ відрізняється особливістю формованих внутрішніх зв'язків між частинами: крім просторових і механічних повинні бути встановлені складні електричні й обмежені теплові й електромагнітні зв'язки.

Створення конструкції завершується розробкою конструкторською документацією (КД).

Конструкторські документи в залежності від їхнього призначення містять дані необхідні для виготовлення, контролю, приймання, постачання, експлуатації і ремонту виробу.

1 Класифікація приладів енергетичної електроніки

В даний час електрична енергія на електростанціях виробляється у виді енергії перемінного трифазного струму промислової частоти. Однак багато споживачів електроенергії можуть працювати тільки на постійному струмі або мають кращі характеристики при постачанні постійним струмом; при передачі електроенергії постійним струмом високої напруги або у випадку аварії в мережі перемінного струму і необхідності постачання відповідальних споживачів перемінного струму від акумуляторних батарей потрібно перетворення постійного струму в перемінний струм. Крім споживачів, що постачаються перемінним струмом промислової частоти, маються споживачі, яким потрібно перемінний струм що змінюється або фіксованої більш низкою або високої частоти, чим промислова частота.

В даний час близько 35% виробленої електроенергії перетвориться в інші форми струму. Для перетворення струму застосовуються електромашинні, механічні і напівпровідникові перетворювачі електричної енергії.

Напівпровідникові перетворювачі є найбільш досконалі і володіють у порівнянні з іншими перетворювачами істотними техніко-економічними перевагами: високим к.п.д., компактністю, відсутністю рухливих контактів і обертових мас, постійною готовністю до роботи, широким температурним діапазоном робіт, що дозволяють застосовувати раціональний для кожного конкретного випадку спосіб охолодження, високою надійністю і зручністю в експлуатації.

Напівпровідниковим перетворювачем будемо називати електротехнічний пристрій, призначений для перетворення перемінного струму в постійний, постійного токи в перемінний, перемінного токи однієї частоти в іншу, а також для безконтактного і практично без інерційного керування електричними машинами.

Напівпровідниковий перетворювач складається з комплекту силових напівпровідникових приладів, змонтованих на рамах чи щита в шафі, з відповідною системою охолодження, із системи керування, захисту, сигналізації і контролю, пристрою для вирівнювання струмів і напруги, контрольно-вимірювальних приладів і комутаційної апаратури. Ці перетворювачі і прилади можуть бути розташовані в шафах або змонтовані на рамах щита разом із силовими напівпровідниковими приладами.

У комплексі напівпровідникові перетворювачі складаються з одного або декількох напівпровідникових перетворювачів, силового перетворювального трансформатора, анодних реакторів, дроселів насичення, катодних і зрівняльних реакторів, пристроїв захисту від надмірних струмів і перенапруг і іншої комутаційної апаратури, електрично з'єднаних між собою.

Класифікація напівпровідникових перетворювачів може бути проведена по цілому ряді ознак: призначенню, ( основною функцією, виконуваної перетворювачем ), областю застосування, способом охолодження силових напівпровідникових приладів, конструктивними особливостями й ін.

У залежності від призначення перетворювачі можна розділити на три основні групи.

1. Випрямлячі, що перетворять одне і трифазний перемінний струм у постійний.

2. Інвертори, що перетворять постійний струм у перемінний із заданою чи регульованою частотою.

3. Перетворювачі частоти, що перетворять перемінний струм однієї частоти в перемінний струм іншої заданої чи регульованої частоти.

Крім загальної класифікації, кожна з основних груп перетворювачів має свій специфічний розподіл.

Випрямлячі підрозділяються по способу регулювання постійної напруги:

а) з нерегульованою напругою на виході;

б) з регульованою напругою на виході;

в) зі стабілізованою напругою на виході.

Інвертори розрізняються по режиму роботи:

а) інвертор, що працює на мережу перемінного струму більшої (у порівнянні з інвертором) потужності, називається відомим чи залежними;

б) інвертор, що працює на ланцюг, що не містить генераторів перемінного струму, називається автономним чи незалежним;

Перетворювачі частоти також можна розділити на дві групи:

а) перетворювачі частоти, що зв'язують дві мережі перемінного струму, називаються відомими чи залежними;

б) перетворювачі частоти, що працюють на мережу, що не містить інших джерел перемінного струму, називаються автономними чи незалежними.

Перетворювачі можуть мати наступні способи охолодження силових напівпровідникових приладів:

а) охолодження шляхом природної циркуляції навколишнього повітря;

б) охолодження з примусовою циркуляцією повітря, узятого безпосередньо з навколишнього середовища чи зі спеціального пристрою, що знижує температуру охолодного повітря;

в) охолодження водою;

г) охолодження шляхом циркуляції агента — теплоносія (газ або рідина), охолоджування природно або примусово повітрям;

д) охолодження шляхом циркуляції агента — теплоносія в термосифоні, охолоджуванням природно або примусово повітрям або водою з зовнішньої сторони.

По конструктивно-технологічним ознаках перетворювачі доцільно класифікувати в такий спосіб:

а) по вихідній потужності — малої, середньої і великої потужності;

б) по способу конструктивного об'єднання — блокової конструкції, панельній конструкції, блочно-панельній конструкції;

в) по способу виготовлення каркаса — каркасна, безкаркасная конструкції.