2. История и перспективы развития устройств преобразовательной техники.

Современные отрасли электротехники – электропривод, электроснабжение, электротехнологию и бытовую электротехнику нельзя представить без преобразовательной техники. Кратко рассмотрим основные этапы ее развития.

Энергетическая электроника – очень молодая наука. Ее история насчитывает немногим более ста лет. Появление электроники было вызвано потребностями радиотехники. В первом радиоприемнике А.С. Попова в 1895 году использовалось устройство для детектирования (выпрямления) сигналов переменного тока – когерер. По существу это был полупроводниковый прибор, в котором выпрямление происходило на границе окисла и металла. Конечно, теория этих процессов была создана гораздо позже.

Развитие энергетической электроники определялось развитием электронных приборов. В 1904 г. англичанин Джон Флеминг изобрел электронный диод. Его создание было основано на предшествующих работах Томаса Эдисона, открывшего термоэлектронную эмиссию, и Лодыгина, создавшего лампу накаливания.

В начале 1900-х годов в США Купером Юитом были разработаны стеклянные ртутные выпрямители, ставшие по существу родоначальниками силовых приборов для энергетической электроники. Стеклянные ртутные выпрямители разрабатывались в СССР сразу после октябрьской революции под руководством академика В.П. Вологдина. Первый металлический ртутный выпрямитель появился в Германии в 1911 г. Его создатель – инженер Б. Шеффер. Выпуск металлических ртутных выпрямителей в СССР был начат в 1924 г. под руководством В.К. Крапивина.

В середине 20-х годов начался выпуск первых полупроводниковых выпрямителей – купроксных, выполненных в виде последовательно соединенных медных пластин, покрытых окисью меди. Развитие полупроводниковой техники сдерживалось из-за отставания теории, а также отсутствия технологий.

Год рождения транзистора – 1948. За это изобретение его создатели Уолтер Браттейн, Джон Бардин и Вильям Шокли были удостоены Нобелевской премии. Этот транзистор был биполярным. Работы по созданию полевого транзистора велись длительное время, но только в 1958 г. Польскому ученому Станиславу Тешнеру, работавшему во Франции, удалось создать прибор, пригодный для практического применения.

В 1958 г. фирмой Westinghouse были разработаны тиристоры – мощные полупроводниковые приборы, пришедшие на смену управляемым ртутным выпрямителям и совершившие подлинную революцию в управляемом электроприводе и электротехнологии. Достаточно сказать, что ртутный вентиль на 1000 А имел массу 300 кг, а тиристор на тот же ток вместе с охладителем – всего 5 кг. В СССР тиристоры начали выпускаться уже в 1961 г. Симметричные тиристоры появились в СССР на несколько месяцев раньше, чем за рубежом. Под руководством И.В. Грехова в РФ разработаны полупроводниковые генераторы мощных наносекундных импульсов. В СССР появились первые работы по применению тиристоров на ультразвуковых частотах.

90-е годы ознаменовались изобретением Ниидзавой (фирма «Тошиба», Япония) IGBT–транзистора. Появление этого прибора привело к настоящей революции в электроприводе переменного тока и вызвало его бурное развитие.

В 1960-е годы возникла совершенно новая область электроники – оптоэлектроника. Она позволила создать элементы, позволяющие разделить электрически отдельные части системы, и вместе с тем обеспечить информационную связь между ними.

Развитие энергетической электроники определялось не только развитием силовых приборов, но и систем управления. Создание операционных усилителей связано с именем Роберта Видлара, который определил на многие годы структуру аналоговых интегральных микросхем. В 1959 г. Джек Килби и Роберт Нойс изобрели первую цифровую интегральную микросхему.

Первые микропроцессоры появились в начале 70-х годов. Они были разработаны фирмой Intel под руководством Марчиана Хоффа. Конец XX и начало XXI века – это время расцвета компьютерной техники и широчайшего применения ее во всех областях деятельности человека, в частности, в виде микроконтроллеров в системах управления вентильными преобразователями различного назначения.

Большой путь за минувшие сто лет прошла и схемотехника энергетической электроники. Трудно назвать здесь всех инженеров и ученых, внесших основополагающий вклад в ее развитие. Отметим лишь авторов самых распространенных силовых схем, ставших классическими: Гретца – автора однофазной мостовой схемы и Ларионова и Гретца – авторов трехфазной мостовой схемы.

Первая в СССР кафедра Промышленной электроники была создана в МЭИ под руководством профессора И.Л. Каганова в 1943 г.

Оглянувшись назад на путь пройденный энергетической электроникой, немного рассмотрим перспективы ее развития.

Большой резерв повышения энергоэффективности был заложен в возможности повышения единичной мощности приборов силовой электроники и уменьшения потерь в них.

Важнейшее значение имеет уменьшение вредного влияния вентильных преобразователей на питающую сеть вплоть до улучшения качества напряжения за счет вентильных преобразователей.

Рост степени интеграции цифровых элементов систем управления (СУ) сделали необратимой массовую замену аналоговых СУ на системы прямого цифрового управления. В пределе встроенные СУ интегрируются вместе с силовыми преобразователями и исполнительными двигателями в одно целое – механотронный модуль движения.

Уменьшение мощности систем управления требует особого внимания к проблемам помехоустойчивости.

Основные затраты при разработке СУ теперь приходятся не на создание аппаратной части, а на разработку алгоритмического и программного обеспечения.

В связи с возрастающей степенью сложности электромеханических устройств огромное значение будет иметь и скорейшее внедрение информационных и компьютерных технологий в проектирование, конструирование, производство и эксплуатацию электроустановок.