Artículo de 300 palabras sobre tecnología electrónica.
Una breve exploración de la tecnología moderna de la electrónica de potencia
La tecnología de la electrónica de potencia es la ciencia que estudia el uso de dispositivos electrónicos de potencia para controlar y transformar la energía eléctrica. Se encuentra entre los tres campos principales. de ingeniería eléctrica - El tema interdisciplinario entre potencia, electrónica y control tiene amplias aplicaciones en energía eléctrica, industria, transporte, aeroespacial y otros campos. La aplicación de la tecnología de la electrónica de potencia ha penetrado en todos los aspectos de la producción industrial y la vida social, convirtiéndose en una tecnología clave indispensable en las industrias tradicionales y los campos de alta tecnología, que puede ahorrar energía de manera efectiva.
1. Desarrollo de la tecnología de electrónica de potencia
La dirección de desarrollo de la tecnología de electrónica de potencia moderna va desde la electrónica de potencia tradicional, que utiliza principalmente tecnología de baja frecuencia para resolver problemas, hasta la de alta frecuencia. La tecnología La dirección de la electrónica de potencia moderna está cambiando debido a problemas. La tecnología de la electrónica de potencia comenzó con los dispositivos rectificadores de silicio a finales de los años 1950 y principios de los 1960. Su desarrollo ha experimentado la era de los rectificadores, la era de los inversores y la era de los convertidores de frecuencia, y ha promovido la aplicación de la tecnología de la electrónica de potencia en muchos campos nuevos. Los dispositivos compuestos semiconductores de potencia, representados por MOSFET e IGBT de potencia, desarrollados a finales de los años 80 y principios de los 90, que integran alta frecuencia, alto voltaje y alta corriente, indican que la tecnología tradicional de la electrónica de potencia ha entrado en la era moderna de la electrónica de potencia.
1. Era del rectificador
La energía industrial de alta potencia es proporcionada por alternadores de frecuencia industrial (50 Hz), pero alrededor del 20% de la energía se consume en forma de CC, la mayor parte. Los más típicos son la electrólisis (los metales no ferrosos y las materias primas químicas requieren electrólisis de CC), la tracción (locomotoras eléctricas, locomotoras diésel de transmisión eléctrica, locomotoras de metro, trolebuses urbanos, etc.) y la transmisión de CC (laminación de acero, fabricación de papel, etc.). Los rectificadores de silicio de alta potencia pueden convertir eficientemente la corriente alterna de frecuencia industrial en corriente continua. Por lo tanto, en las décadas de 1960 y 1970, el desarrollo y la aplicación de rectificadores y tiristores de silicio de alta potencia se desarrollaron enormemente. En ese momento, había una locura en China por establecer fábricas de rectificadores de silicio en todo el país. Los actuales fabricantes de semiconductores, grandes y pequeños, que fabrican rectificadores de silicio en todo el país son productos de esa época.
2. Era del inversor
En la década de 1970 se produjo una crisis energética mundial y los sistemas de conversión de frecuencia de motores de CA se desarrollaron rápidamente debido a sus importantes efectos de ahorro de energía. La tecnología clave de la regulación de velocidad de frecuencia variable es invertir la corriente continua en corriente alterna de 0~100Hz. Desde los años 1970 hasta los años 1980, con la popularidad de los dispositivos de control de velocidad de frecuencia variable, los tiristores, los transistores de potencia gigantes (GTR) y los tiristores de puerta-apagado (GT0) para inversores de alta potencia se convirtieron en los protagonistas de los dispositivos electrónicos de potencia de aquella época. . Aplicaciones similares incluyen salida de CC de alto voltaje, compensación dinámica de potencia reactiva estática, etc. En ese momento, la tecnología de la electrónica de potencia podía lograr la rectificación y la inversión, pero la frecuencia de operación era baja y se limitaba al rango de frecuencia media y baja.
3. La era de los convertidores de frecuencia
En la década de 1980, el rápido desarrollo de la tecnología de circuitos integrados a gran y ultra gran escala sentó las bases para el desarrollo de la energía moderna. tecnología electrónica. La combinación orgánica de la tecnología de procesamiento fino de la tecnología de circuitos integrados y la tecnología de alto voltaje y alta corriente ha llevado al surgimiento de un nuevo lote de dispositivos de potencia totalmente controlados. En primer lugar, la llegada de los MOSFET de potencia ha llevado al desarrollo de pequeños y grandes dispositivos. fuentes de alimentación de media potencia hacia altas frecuencias, y luego electrodos de puerta aislados. La aparición de transistores bipolares (IGBT) ha brindado oportunidades para el desarrollo de fuentes de alimentación de tamaño grande y mediano hacia altas frecuencias. La aparición sucesiva de MOSFET e IGBT es un símbolo de la transformación de la electrónica de potencia tradicional a la electrónica de potencia moderna. Según las estadísticas, a finales de 1995 los MOSFET de potencia y los GTR habían alcanzado el mismo nivel en el mercado de dispositivos semiconductores de potencia, y el uso de los IGBT para sustituir a los GTR en el campo de la electrónica de potencia se ha convertido en una certeza. El desarrollo de nuevos dispositivos no sólo proporciona una frecuencia más alta para la regulación de la velocidad de conversión de frecuencia del motor de CA, haciendo que su rendimiento sea más completo y confiable, sino que también permite que la tecnología electrónica moderna continúe desarrollándose hacia la alta frecuencia, logrando una alta eficiencia, ahorro de material y energía para equipos eléctricos y realización de dispositivos pequeños y ligeros. La cuantificación, la mecatrónica y la inteligencia proporcionan importantes bases técnicas.
2. Aplicación de la tecnología de la electrónica de potencia
1. Industria en general
En la industria se utilizan ampliamente diversos motores de CA y CC. El motor de CC tiene un buen rendimiento de regulación de velocidad y la fuente de alimentación del rectificador controlable o la fuente de alimentación del picador de CC que lo alimenta son dispositivos electrónicos de potencia. En los últimos años, debido al rápido desarrollo de la tecnología de conversión de frecuencia electrónica de potencia, el rendimiento de regulación de velocidad de los motores de CA es comparable al de los motores de CC. La tecnología de regulación de velocidad de CA se utiliza ampliamente y domina.
La tecnología electrónica de regulación de velocidad de CA y CC se utiliza ampliamente en varios laminadores que van desde varios miles de kW hasta servomotores de máquinas herramienta CNC que van desde varios cientos de W hasta tracción minera y otras ocasiones. Algunos sopladores grandes que no tienen altos requisitos de rendimiento de control de velocidad también han adoptado dispositivos de conversión de frecuencia en los últimos años para lograr ahorro de energía. También hay algunos motores sin velocidad ajustable que utilizan dispositivos de arranque suave para evitar descargas de corriente durante el arranque. Este dispositivo de arranque suave también es un dispositivo electrónico de potencia. La industria electroquímica utiliza una gran cantidad de fuentes de alimentación de CC, y el aluminio electrolítico, el agua salada electrolítica, etc., requieren fuentes de alimentación rectificadas de gran capacidad. Los equipos de galvanoplastia también requieren una fuente de alimentación rectificada. La tecnología de electrónica de potencia también se utiliza ampliamente en fuentes de alimentación de calentamiento por inducción de alta y media frecuencia, fuentes de alimentación de enfriamiento y fuentes de alimentación de hornos de arco de CC en la industria metalúrgica.
2. Transporte
La tecnología de la electrónica de potencia se utiliza ampliamente en los ferrocarriles electrificados. Entre las locomotoras eléctricas, las locomotoras de CC utilizan dispositivos rectificadores y las locomotoras de CA utilizan dispositivos de conversión de frecuencia. Los helicópteros de CC también se utilizan ampliamente en vehículos ferroviarios. En el futuro tren maglev, la tecnología electrónica de potencia será una tecnología clave. Además de la transmisión de motores de tracción, también son inseparables de la tecnología de la electrónica de potencia diversas fuentes de alimentación auxiliares en los vehículos. El motor de un vehículo eléctrico depende de dispositivos electrónicos de potencia para la conversión de energía y el control de la transmisión, y la carga de su batería también es inseparable de los dispositivos electrónicos de potencia. Un coche de alta gama requiere muchos motores de control, que también son accionados y controlados por inversores y helicópteros. Los aviones y los barcos requieren muchas fuentes de alimentación diferentes, por lo que la aviación y la navegación son inseparables de la tecnología de la electrónica de potencia. Si los ascensores también se consideran medios de transporte, también requieren tecnología electrónica de potencia. En el pasado, la mayoría de los ascensores utilizaban sistemas de regulación de velocidad de CC, pero en los últimos años, la regulación de velocidad de frecuencia variable de CA se ha convertido en la corriente principal.
3. Sistema de potencia
La tecnología de la electrónica de potencia es ampliamente utilizada en los sistemas de potencia. Se estima que en los países desarrollados más del 60% de la energía eléctrica finalmente utilizada por los usuarios ha sido procesada al menos una vez por dispositivos convertidores electrónicos de potencia. En el proceso de modernización de los sistemas de energía, la tecnología de la electrónica de potencia es una de las tecnologías clave. No es exagerado decir que la modernización de los sistemas eléctricos es inimaginable sin la tecnología de la electrónica de potencia. La transmisión de energía de CC tiene grandes ventajas en la transmisión de energía a larga distancia y de gran capacidad. Tanto la válvula rectificadora en el extremo de transmisión de energía como la válvula inversora en el extremo de recepción de energía utilizan convertidores de tiristores. La transmisión flexible de corriente alterna (FACTS) desarrollada en los últimos años también se basa en dispositivos electrónicos de potencia. La compensación de potencia reactiva y la supresión de armónicos son de gran importancia para el sistema eléctrico. El reactor controlado por tiristores (TCR) y el condensador conmutado por tiristores (TSC) son importantes dispositivos de compensación de potencia reactiva. Los nuevos dispositivos electrónicos de potencia, como los generadores estáticos de var (SVG) y los filtros de potencia activos (APF), que han aparecido en los últimos años, tienen un rendimiento de potencia reactiva y compensación de armónicos superior. En los sistemas de redes de distribución, los dispositivos electrónicos de potencia también se pueden utilizar para evitar cortes de energía instantáneos, caídas de voltaje instantáneas, parpadeos, etc. para controlar la calidad de la energía y mejorar la calidad del suministro de energía.
En la subestación, se requieren dispositivos electrónicos de potencia para proporcionar energía operativa de CA y CC confiable para el sistema operativo y cargar la batería.
4. Fuente de alimentación para dispositivos electrónicos
Varios dispositivos electrónicos generalmente requieren fuentes de alimentación de CC de diferentes niveles de voltaje. La fuente de alimentación de CC utilizada en interruptores controlados por programa en equipos de comunicación solía ser una fuente de alimentación rectificada por tiristores, pero ahora se ha cambiado a una fuente de alimentación conmutada de alta frecuencia utilizando dispositivos totalmente controlados. La fuente de alimentación de trabajo requerida por las computadoras grandes y la fuente de alimentación dentro de las microcomputadoras ahora también utilizan fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia. En varios dispositivos electrónicos, en el pasado se utilizaba una gran cantidad de fuentes de alimentación reguladas lineales. Debido a su pequeño tamaño, peso ligero y alta eficiencia, las fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia han reemplazado gradualmente a las fuentes de alimentación lineales. Debido a que varios dispositivos de tecnología de la información requieren dispositivos electrónicos de potencia para proporcionar energía, se puede decir que la tecnología electrónica de la información es inseparable de la tecnología electrónica de potencia.
5. Electrodomésticos
La iluminación ocupa un lugar muy destacado en los electrodomésticos. Debido a que las fuentes de alimentación para iluminación electrónica son de tamaño pequeño, tienen una alta eficiencia luminosa y pueden ahorrar mucha energía, a menudo se las llama "lámparas de bajo consumo" y están reemplazando gradualmente a las lámparas incandescentes y fluorescentes tradicionales. Los acondicionadores de aire inverter son un ejemplo típico de la aplicación de la tecnología de la electrónica de potencia en los electrodomésticos. Las partes de suministro de energía de equipos electrónicos como televisores, equipos de audio y computadoras domésticas también requieren tecnología de electrónica de potencia. Además, algunas lavadoras, frigoríficos, hornos microondas y otros electrodomésticos también utilizan tecnología electrónica de potencia. La tecnología de la electrónica de potencia se utiliza ampliamente en los electrodomésticos, por lo que está muy cerca de nuestras vidas.
6. Otros
El sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) desempeña un papel cada vez más importante en la sociedad moderna y su uso también está aumentando. Ya representa una cantidad considerable de productos electrónicos de potencia. . compartir. Varios instrumentos electrónicos en vehículos aeroespaciales requieren fuentes de energía, y las naves espaciales tripuladas también son inseparables de diversas fuentes de energía para la supervivencia y el trabajo humanos. Los métodos tradicionales de generación de energía son la generación de energía térmica, la generación de energía hidroeléctrica y posteriormente la generación de energía nuclear. Después de la crisis energética, varias nuevas fuentes de energía, fuentes de energía renovables y nuevos métodos de generación de energía han recibido cada vez más atención. Entre ellos, la generación de energía solar y la generación de energía eólica se están desarrollando rápidamente, y las pilas de combustible han atraído aún más atención. La generación de energía solar y la generación de energía eólica están restringidas por el medio ambiente y la calidad de la energía que emiten es deficiente. A menudo se necesitan dispositivos de almacenamiento de energía para amortiguarlas, y es necesario mejorar la calidad de la energía, lo que requiere tecnología electrónica de potencia. Cuando es necesario conectarse al sistema eléctrico, la tecnología de la electrónica de potencia también es indispensable. Para utilizar racionalmente los recursos hidroeléctricos, en los últimos años se ha prestado atención a las centrales eléctricas de almacenamiento de energía mediante bombeo de agua. El arranque y la regulación de velocidad de grandes motores eléctricos requieren tecnología electrónica de potencia. El almacenamiento de energía superconductor es un método de almacenamiento de energía del futuro. Requiere una potente fuente de alimentación de CC, que también es inseparable de la tecnología de la electrónica de potencia. Cuando un reactor de fusión nuclear genera un fuerte campo magnético e inyecta energía, requiere una fuente de alimentación de impulsos de gran capacidad, que es un dispositivo electrónico de potencia. Los experimentos científicos o algunas ocasiones especiales a menudo requieren algunas fuentes de alimentación especiales, que es donde entra en juego la tecnología de la electrónica de potencia. En el pasado, la aplicación de la tecnología de electrónica de potencia se centraba en potencias medias y altas. Actualmente, en el rango de potencia inferior a 1 kW o incluso inferior a decenas de W, la aplicación de la tecnología electrónica de potencia se está generalizando cada vez más y su estatus es cada vez más importante. Esto se ha convertido en una importante tendencia de desarrollo y merece la atención de la gente.
En definitiva, la tecnología de la electrónica de potencia tiene un amplio abanico de aplicaciones. Desde la exploración humana del universo y la naturaleza, hasta diversos campos de la economía nacional y nuestras necesidades diarias, la existencia y el gran encanto de la tecnología electrónica de potencia se pueden sentir en todas partes. Esto también ha inspirado a generaciones de académicos y técnicos de ingeniería a estudiar, investigar y desarrollar rápidamente tecnología de electrónica de potencia. Los dispositivos electrónicos de potencia proporcionan varias fuentes de alimentación de CC, fuentes de alimentación de CA de frecuencia constante y fuentes de alimentación de CA de frecuencia variable a la carga. Por lo tanto, también se puede decir que la investigación sobre tecnología de electrónica de potencia también es tecnología de suministro de energía. La tecnología de la electrónica de potencia es de gran importancia para el ahorro de energía eléctrica. Especialmente en el uso de regulación de velocidad de frecuencia variable para grandes ventiladores y bombas de agua, así como en fuentes de alimentación de iluminación que se utilizan en grandes cantidades, el efecto de ahorro de energía de la tecnología electrónica de potencia es muy significativo, por lo que también se le llama energía. -tecnología de ahorro.