Что такое электрическая мощность и как она измеряется. Какую мощность потребляют различные бытовые приборы. Как работает силовая электроника и почему она важна. Какие существуют типы силовых электронных схем.
Что такое электрическая мощность и как она измеряется
Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Другими словами, это скорость выполнения работы электрическим током. Мощность измеряется в ваттах (Вт).
Основная формула для расчета электрической мощности:
P = U * I
где:
- P — мощность в ваттах (Вт)
- U — напряжение в вольтах (В)
- I — сила тока в амперах (А)
Также мощность можно рассчитать по формулам:
P = I^2 * R
P = U^2 / R
где R — сопротивление в омах (Ом).
Единицы измерения мощности
Основная единица измерения электрической мощности — ватт (Вт). Часто используются кратные единицы:
- 1 киловатт (кВт) = 1000 Вт
- 1 мегаватт (МВт) = 1 000 000 Вт
- 1 гигаватт (ГВт) = 1 000 000 000 Вт
Для измерения очень малых мощностей применяются дольные единицы:
- 1 милливатт (мВт) = 0,001 Вт
- 1 микроватт (мкВт) = 0,000001 Вт
- 1 нановатт (нВт) = 0,000000001 Вт
Мощность бытовых электроприборов
Различные бытовые электроприборы потребляют разную мощность. Вот примерные значения мощности для некоторых распространенных устройств:
- Электрический чайник: 1500-2400 Вт
- Микроволновая печь: 700-1200 Вт
- Холодильник: 150-300 Вт
- Стиральная машина: 2000-3000 Вт
- Утюг: 1000-2000 Вт
- Пылесос: 1000-2000 Вт
- Телевизор: 100-400 Вт
- Ноутбук: 50-100 Вт
- Лампа накаливания: 40-100 Вт
- Светодиодная лампа: 5-20 Вт
Зная мощность приборов, можно рассчитать их энергопотребление и стоимость работы. Например, чайник мощностью 2000 Вт за 15 минут работы потребит:
2000 Вт * 0,25 ч = 500 Вт*ч электроэнергии
Что такое силовая электроника
Силовая электроника — это раздел электроники, занимающийся преобразованием и управлением электроэнергией с помощью полупроводниковых приборов. Основная задача силовой электроники — обеспечить эффективное преобразование электроэнергии из одной формы в другую.
Ключевые компоненты систем силовой электроники:
- Силовые полупроводниковые приборы (тиристоры, транзисторы, диоды)
- Преобразователи (выпрямители, инверторы, конверторы)
- Системы управления
- Пассивные компоненты (трансформаторы, дроссели, конденсаторы)
Как работает силовая электроника
Принцип работы устройств силовой электроники основан на быстром переключении силовых полупроводниковых приборов. Это позволяет управлять потоком электроэнергии и преобразовывать ее параметры.
Основные этапы работы:
- Коммутация силовых ключей по заданному алгоритму
- Преобразование параметров электроэнергии (напряжения, тока, частоты)
- Фильтрация выходного сигнала
- Управление и регулирование выходных параметров
При этом возникают коммутационные потери при переключении и потери проводимости. Задача разработчиков — минимизировать эти потери для повышения КПД устройств.
Типы силовых электронных схем
Существует несколько основных типов преобразователей в силовой электронике:
1. Выпрямители (AC/DC)
Преобразуют переменный ток в постоянный. Применяются в блоках питания, зарядных устройствах, электроприводе.
2. Инверторы (DC/AC)
Преобразуют постоянный ток в переменный заданной частоты. Используются в источниках бесперебойного питания, частотно-регулируемом приводе, солнечных электростанциях.
3. Преобразователи постоянного тока (DC/DC)
Изменяют уровень напряжения постоянного тока. Применяются в импульсных источниках питания, системах электропитания транспорта.
4. Преобразователи частоты (AC/AC)
Изменяют частоту переменного тока. Широко используются для управления электродвигателями переменного тока.
5. Управляемые выпрямители
Позволяют регулировать выходное напряжение. Применяются в мощных электроприводах постоянного тока.
Почему силовая электроника важна
Силовая электроника играет ключевую роль во многих областях современной техники:
- Повышение энергоэффективности устройств
- Управление электродвигателями
- Преобразование энергии в возобновляемой энергетике
- Передача электроэнергии на большие расстояния
- Электротранспорт
- Бытовая техника
- Промышленная автоматизация
Развитие силовой электроники позволяет создавать более компактные, эффективные и надежные устройства для работы с электроэнергией.
Преимущества использования силовой электроники
Применение силовой электроники дает ряд важных преимуществ:
- Высокий КПД преобразования энергии (до 95-99%)
- Возможность плавного регулирования параметров
- Компактность и малый вес устройств
- Быстродействие
- Высокая надежность
- Возможность полной автоматизации
- Снижение потерь при передаче энергии
Эти преимущества обеспечивают широкое распространение устройств силовой электроники в самых разных областях техники.
Тенденции развития силовой электроники
Основные направления развития силовой электроники на современном этапе:
- Применение новых полупроводниковых материалов (карбид кремния, нитрид галлия)
- Повышение рабочих частот преобразователей
- Увеличение удельной мощности устройств
- Интеллектуальные системы управления на основе микропроцессоров
- Интеграция силовых и управляющих компонентов
- Развитие технологий производства силовых модулей
Эти тенденции позволяют создавать все более совершенные устройства силовой электроники для различных применений.
Примерная мощность бытовых электроприборов
При выборе стабилизатора напряжения для дома и дачи необходимо учитывать мощность нагрузки, которую он способен выдержать. Одним из способов вычисления этой мощности является подсчет суммы потребляемой мощности бытовых и садовых электроприборов и электроинструмента.
Здесь вы можете примерно рассчитать суммарную мощность нагрузки при включении одного или нескольких электроприборов.
Внимание! У разных производителей и моделей электротехнических изделий и техники могут быть разные показатели мощности, поэтому в таблице приведены обобщенные и наиболее часто встречающиеся значения.
Таблица потребляемой мощности бытовыми электроприборами при напряжении питания 220В
Бытовой электроприбор | Номинальная мощность, Вт | Мощность при пуске, Вт | Коэффициент пускового тока | Примечание |
Лампа накаливания | 60 | 60 | 1,0 | Величина тока постоянная |
Телевизор | 200 | 200 | 1,0 | Величина тока постоянная |
Холодильник | 200 | 700 | 3,5 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Электрочайник | 2000 | 2000 | 1,0 | Время непрерывной работы до 5 минут |
Стиральная машина | 1000 | 3500 | 3,5 | В зависимости от режима и цикла потребляемый ток изменяется |
Электроплита | 6000 | 6000 | 1,0 | В зависимости от режима потребляемый ток изменяется |
Микроволновая печь | 800 | 1600 | 2,0 | Во время работы максимальный ток потребляется периодически |
Электромясорубка | 1000 | 2500 | 2,5 | В зависимости от режима потребляемый ток изменяется |
Тостер | 1000 | 1000 | 1,0 | Величина тока постоянная |
Гриль | 1500 | 1500 | 1,0 | Величина тока постоянная |
Кофеварка | 1200 | 1200 | 1,0 | Величина тока постоянная |
Электродуховка | 2000 | 2000 | 1,0 | В зависимости от режима потребляемый ток изменяется |
Посудомоечная машина | 1000 | 2000 | 2,0 | В зависимости от режима и цикла потребляемый ток изменяется |
Сушильная машина | 2500 | 2500 | 1,0 | Максимальный ток потребляется на протяжении всего времени сушки белья |
Утюг | 200 | 2000 | 1,0 | Во время работы максимальный ток потребляется периодически |
Пылесос | 1500 | 2000 | 1,3 | Максимальный ток зависит от выбранного режима и нагрузки |
Обогреватель | 2000 | 2000 | 1,0 | Во время работы максимальный ток потребляется периодически |
Теплый пол | 100/кв. | 100/кв.м | 1,0 | Величина тока постоянная |
Фен для волос | 1200 | 1200 | 1,0 | Величина тока постоянная |
Кондиционер | 1000 | 3500 | 3,5 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Стационарный компьютер | 500 | 1000 | 2 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Дрель | 800 | 1000 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Перфоратор | 1300 | 1700 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Болгарка | 1200 | 1550 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Электролобзик | 800 | 1000 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Циркулярная пила | 1500 | 1950 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Электроточило | 900 | 1200 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Электрорубанок | 900 | 1200 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Шлифмашина | 2000 | 2600 | 1,3 | В зависимости от нагрузки потребляемый ток изменяется |
Проточный водонагреватель | 3000 | 3000 | 1 | Величина тока постоянная |
Бойлер | 500 | 1750 | 3,5 | В зависимости от режима потребляемый ток изменяется |
Котёл | 1000 | 1500 | 1,5 | В зависимости от режима потребляемый ток изменяется |
Водяной насос | 1000 | 3500 | 3,5 | Во время работы максимальный ток потребляется периодически |
мТаблица мощностей бытовых приборов для расчета сечения электрического кабеля проводки кухни
Зачем нужна таблица мощностей бытовых приборов
Производя ремонт кухни для расчета сечения электрического кабеля электропроводки кухни, необходимо понимать какие бытовые приборы будут использоваться на кухне.
Для расчета сечения кабеля необходимо знать потребляемую мощность используемых бытовых приборов. Ниже приведены три таблицы, одна из которых таблица мощностей бытовых приборов, усредненная, но достаточно точная для расчета сечения электрического кабеля при ремонте кухни.
Две другие таблицы позволяют по суммарной мощности бытовых приборов рассчитать сечение жил кабеля, нужного для питания этих приборов.
Таблица 1: Потребляемая мощность/Сила тока/Сечение жил кабеля (провода)
| Мощность, Вт | Сила тока,А | Сечение провода, кв.мм |
| 200 | 0,9 | 0,1 |
| 400 | 1,8 | 0,2 |
| 800 | 3,6 | 0,4 |
| 1 000 | 4,5 | 0,5 |
| 1 500 | 6,8 | 0,7 |
| 2 000 | 9,1 | 0,9 |
| 2 500 | 11,4 | 1,1 |
| 3 000 | 13,6 | 1,4 |
| 3 500 | 15,9 | 1,6 |
| 4 000 | 18,2 | 1,8 |
| 5 000 | 22,7 | 2,3 |
| 6 000 | 27,3 | 2,7 |
| 7 000 | 31,8 | 3,2 |
| 10 000 | 45,5 | 4,5 |
Таблица 2: Мощность бытовых приборов по паспорту
Электроприборы на кухне (сравнительная таблица)
|
Таблица 3: Мощность бытовых приборов и освещения
№ | НАИМЕНОВАНИЕ | МОЩНОСТЬ | ПРИМЕЧАНИЯ |
ОСВЕЩЕНИЕ | |||
1 | Лампа накаливания | 60Вт/75Вт/100Вт | |
2 | Лампа энергосберегающая | 7Вт/9Вт/11Вт | |
3 | Точечный светильник(галогеновые лампы) | 10Вт/20Вт/35Вт/50Вт | |
ЭЛЕКТРИПЛИТА | |||
1 | Независимая варочная панель | 6600 Вт | BOSCH-Стеклокерамика |
5800 Вт | ZANUSSI-4 Конфорки | ||
7000 Вт | ZANUSSI-4 простые+2 индукторные конфорки | ||
2 | Независимый Духовой шкаф | 3000 Вт | AEG–51 литр |
3500 Вт | ELECTROLUX-50 литров | ||
3500 Вт | ARISTON-56 литров | ||
3 | Зависимый Духовой шкаф | 10800 Вт | ELECTROLUX-9 режимов |
10100 Вт | ZANUSSI | ||
4 | Встраиваемый комплект HANSA | ||
Конфорки(2,2+1,2+1,2+1,8) кВт | =6400 Вт | ||
ДУХОВКА: | |||
Нижний нагрев: | 1300 Вт | ||
Верхний нагрев: | 900 Вт | ||
Гриль: | 2000 Вт | ||
Конвекция: | 4 Вт | ||
Освещение: | 25 Вт | ||
ИТОГО ОБЩАЯ MAX. | 10629 Вт | ||
ГРИЛИ,ГРИЛИ-БАРБЕКЮ,ГРИЛИ-ШАШЛЫЧНИЦЫ | 1300 Вт-1700 Вт | ||
ВЫТЯЖКА | 240 Вт-300 Вт | ||
КУХОННЫЕ КОМБАЙНЫ | 450 Вт,750 Вт,800 Вт | ||
СОКОВЫЖИМАЛКА | 25Вт-30 Вт | ||
Микроволновые ПЕЧИ без гриля | 800-900 Вт | ||
Микроволновые печи с грилем | 2400 Вт | ||
ПОСУДОМОЕЧНАЯ машина | 2200 Вт | ||
ТОСТЕРЫ,РОСТЕРЫ | 850-950 Вт | ||
МИКСЕРЫ | 350-450 Вт | ||
ПАРОВАРКИ ВСТРАИВАЕМЫЕ | 2200-2500 Вт | ||
ПАРОВАРКИ НАСТОЛЬНЫЕ | 850-950 Вт | ||
АЭРОГРИЛИ | 1300 Вт | ||
ЯЙЦЕВАРКА | 400 Вт | ||
СТИРАЛЬНАЯ машина | 2200 Вт | ||
ЭЛЕКТРОЧАЙНИК | 2200-2400 Вт | ||
ХОЛОДИЛЬНИК: | |||
Класс энергопотребления “А” | 160 Вт | AEG-280 литров | |
90 Вт | BOSCH-279 литров | ||
МОРОЗИЛЬНАЯ КАМЕРА | 100-120 Вт |
МОЩНОСТЬРасчет сечения жил кабеля
Расчет сечения жил кабеля для электропроводки в зависимости от потребляемой мощности. По этой таблице вы сможете рассчитать, какое сечение жил кабеля нужно использовать, в зависимости от суммарной мощности бытовых приборов подключаемых к этому кабелю.
Например. Суммарная мощность группы бытовых приборов по таблице 2 и 3, получилась 6600 Вт. Питание 220 Вольт. По таблице смотрим, что для этой группы нужен кабель с медными жилами сечением 2,5 мм. Ток 30 Ампер, показывает, что для защиты данной группы нужен автоматический выключатель, с током отсечки не менее 30 Ампер. Это значит, что покупаем автомат защиты с номиналом 32 Ампера.
| Проложенные открыто | ||||||
| S | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||||
| мм2 | Ток | Мощн. кВт | Ток | Мощн.кВт | ||
| А | 220 В | 380 В | А | 220 В | 380 В | |
| 0,5 | 11 | 2,4 | ||||
| 0,75 | 15 | 3,3 | ||||
| 1 | 17 | 3,7 | 6,4 | |||
| 1,5 | 23 | 5 | 8,7 | |||
| 2 | 26 | 5,7 | 9,8 | 21 | 4,6 | 7,9 |
| 2,5 | 30 | 6,6 | 11 | 24 | 5,2 | 9,1 |
| 4 | 41 | 9 | 15 | 32 | 7 | 12 |
| 5 | 50 | 11 | 19 | 39 | 8,5 | 14 |
| 10 | 80 | 17 | 30 | 60 | 13 | 22 |
| 16 | 100 | 22 | 38 | 75 | 16 | 28 |
| 25 | 140 | 30 | 53 | 105 | 23 | 39 |
| 35 | 170 | 37 | 64 | 130 | 28 | 49 |
| Проложенные в трубе | ||||||
| S | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||||
| мм2 | Ток | Мощн. кВт | Ток | Мощн.кВт | ||
| А | 220 В | 380 В | А | 220 В | 380 В | |
| 0,5 | ||||||
| 0,75 | ||||||
| 1 | 14 | 3 | 5,3 | |||
| 1,5 | 15 | 3,3 | 5,7 | |||
| 2 | 19 | 4,1 | 7,2 | 14 | 3 | 5,3 |
| 2,5 | 21 | 4,6 | 7,9 | 16 | 3,5 | 6 |
| 4 | 27 | 5,9 | 10 | 21 | 4,6 | 7,9 |
| 5 | 34 | 7,4 | 12 | 26 | 5,7 | 9,8 |
| 10 | 50 | 11 | 19 | 38 | 8,3 | 14 |
| 16 | 80 | 17 | 30 | 55 | 12 | 20 |
| 25 | 100 | 22 | 38 | 65 | 14 | 24 |
| 35 | 135 | 29 | 51 | 75 | 16 | 28 |
Таблицы ПУЭ
В Главе 1 ПУЭ изд.
7 (Правила Устройства Электропроводки) есть несколько таблиц для допустимых токов по сечению жил провода (кабеля). Две таблицы пригодятся для электропроводки квартиры.
Таблица 1.3.4 Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и ПВХ изоляцией с медными жилами.
Таблица 1.3.5 Допустимый длительный ток для проводов и шнуров с резиновой и ПВХ изоляцией с алюминиевыми жилами.
©Remont-kuxni.ru
Другие статьи раздела: Электрика кухни
Что такое электроэнергия | Вт
Мощность — одно из ключевых понятий и единиц, связанных с наукой об электротехнике, измеряется в ваттах, мощность — важный параметр.
Электроэнергия Включает:
Что такое электроэнергия
Важным аспектом любой электрической или электронной схемы является связанная с ней мощность. Установлено, что при протекании тока через резистор электрическая энергия преобразуется в тепловую.
Этот факт используют электрические нагреватели, состоящие из резистора, через который протекает ток.
В других случаях используются гораздо меньшие резисторы и очень меньшие токи. Здесь количество генерируемого тепла может быть очень небольшим. Однако, если течет некоторый ток, то выделяется некоторое количество тепла. В этом случае генерируемое тепло представляет собой количество рассеиваемой электроэнергии.
Определение мощности
Независимо от того, используется ли мощность в механической или электрической среде, определение мощности остается тем же. То, как это можно обсуждать, может быть несколько иным, но, тем не менее, определение и актуальность его точно такие же.
Электрическая мощность Определение:
Электрическая мощность – это скорость в единицу времени, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Это скорость выполнения работы.
В терминах электрической цепи электрическая мощность — это скорость в единицу времени, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи.
Из определения видно, что:
W =V Qt
Но как:
Qt=Ток, I
Замена:
Вт=В I
Где:
Вт = мощность в ваттах
В = потенциал в вольтах
I = ток в амперах
Q = заряд в кулонах
t = время в секундах
Что такое ватт: единица мощности
Единицей мощности является ватт, который обозначается символом W и назван в честь шотландского инженера Джеймса Уатта (1736–1819).
Определение ватта:
Ватт — это единица мощности в системе СИ, определяющая скорость преобразования энергии и эквивалентная одному джоулю в секунду.
Ватт можно определить в соответствии с приложением:
- Электрическое определение ватта: один ватт — это скорость, с которой выполняется работа, когда ток в один ампер, I тока протекает через сеть, которая имеет разность электрических потенциалов в один вольт, В.
W = V I - Механическое определение ватта: один ватт — это скорость, с которой совершается работа, когда скорость объекта поддерживается постоянной на уровне один метр в секунду при постоянной противодействующей силе в один ньютон.
W = V IКак и многие другие единицы СИ, существуют кратные и дольные единицы, поскольку диапазон уровней мощности может варьироваться от незначительных уровней излучения, принимаемого радиоантеннами от далеких звезд, до огромных уровней, генерируемых крупными электростанциями.
| Доли и доли ватт | ||
|---|---|---|
| Текущий | Имя | Аббревиатура |
| 10 -15 Вт | фемтоватт | ФВ |
| 10 -12 Вт | пиковатт | пВт |
| 10 -9 Вт | нановатт | нВт |
| 10 -6 Вт | микроватт | мкВт |
| 10 -3 Вт | милливатт | мВт |
| Вт | Вт | Вт |
| 10 3 Вт | киловатт | кВт |
| 10 6 Вт | Мегаватт | МВт |
Часто полезно иметь представление о типичных уровнях мощности различных элементов, которые упоминаются в связи с электронными и электрическими системами.
Некоторые примеры типовых уровней мощности приведены в таблице ниже.
| Типовые уровни мощности различных электрических и электронных устройств и систем | |
|---|---|
| Устройство | Детали |
| Электрокамин | Обычно 1 кВт на бар |
| Настольный компьютер | обычно менее 100 Вт |
| Чайник | Типовая 2,5 кВт |
| 42-дюймовый светодиодный телевизор с плоским экраном | ~100 Вт |
| Бытовая лампа накаливания | До 150 Вт |
| Светодиодная лампа Domstic | До 20 Вт |
Вычислительная мощность
Количество мощности, рассеиваемой в цепи, можно легко определить. Это просто произведение разности потенциалов или напряжения на конкретном элементе на ток, протекающий через него. Другими словами, электрический огонь, работающий от источника питания 250 вольт и потребляющий 4 ампера тока, рассеет 250 x 4 = 1000 ватт или 1 киловатт.
В некоторых случаях фактическое сопротивление элемента цепи может быть известно. Используя закон Ома (V = I x R), можно рассчитать мощность, если известно напряжение или ток. Например, известно, что напряжение сети составляет 250 вольт, а сопротивление элемента может быть известно как 62,5 Ом.
Выполняя несложные алгебраические вычисления, можно найти очень полезные формулы:
В=В2Р
. . и . .
W=I2 R
Используя эти формулы, легко вычислить мощность, рассеиваемую на резисторе 62,5 Ом, когда на него подается напряжение 250 вольт
Вт=V2R=250262,5=1000 Вт
Power — одна из ключевых единиц во многих электронных схемах. Его можно использовать для указания уровня тепла, рассеиваемого в блоке или даже отдельном компоненте, его можно использовать для определения потребляемой мощности, а также для определения количества энергии, генерируемой системой для передачи на следующий пункт.
В этих и очень многих других областях мощность, измеряемая в ваттах, является ключевым параметром, имеющим большое значение.
Больше основных концепций и руководств по электронике:
Напряжение
Текущий
Власть
Сопротивление
Емкость
Индуктивность
Трансформеры
Децибел, дБ
Законы Кирхгофа
Q, добротность
РЧ-шум
Сигналы
Возврат в меню основных понятий электроники. . .
Что такое силовая электроника? — Как это работает
Как работает силовая электроника?
Типы силовых электронных схем
Важность силовой электроники
Преимущества силовой электроники
Силовая электроника и Синопсис
При производстве электроэнергии, особенно в возобновляемых источниках энергии, генерируемая мощность должна обрабатываться в соответствии со спецификацией напряжения переменного тока энергосистемы.
Например, солнечный элемент генерирует мощность постоянного тока, выходная мощность которой зависит от рабочего напряжения и падающего солнечного излучения. Важно извлекать максимальную мощность, доступную на выходе ячейки, и передавать ее в сеть с максимально возможным КПД. Таким образом, интерфейс, который соединяет солнечную батарею с сетью, должен обеспечивать питание переменного тока, соответствующее спецификациям сети, и потреблять входную мощность, которая обеспечивает работу солнечной батареи в точке ее максимальной мощности. В дополнение к этому, преобразование этой мощности постоянного тока в мощность переменного тока должно быть с более высокой эффективностью, чтобы минимизировать потери при выработке электроэнергии. Это возможно при использовании силовых полупроводниковых приборов с развитыми механизмами управления, которые контролируют выходные и входные параметры и управляют переключателями.
Достижения в области силовых полупроводниковых устройств проложили путь для более новых устройств, таких как полевые транзисторы из карбида кремния, нитрида галлия (FET) и силовые диоды.
Эти устройства имеют превосходные характеристики с точки зрения широкой запрещенной зоны, что позволяет работать при высоком напряжении, управлять температурным режимом и эффективностью. Это привело к широкому использованию силовой электроники даже в чувствительных к шуму областях, заменяя линейные источники питания и регуляторы напряжения с потерями. Основным преимуществом этих устройств является то, что они могут выдерживать высокое напряжение по сравнению с кремниевыми устройствами. Таким образом, системы могут быть спроектированы с возможностью работы с высоким напряжением, что, в свою очередь, снижает ток и повышает эффективность при подаче той же мощности. В дополнение к этому, работа устройств на более высоких частотах переключения помогает уменьшить размер пассивных компонентов, делая системы компактными. Способность выдерживать более высокие температуры упрощает теплотехнические конструкции.
Как работает силовая электроника?
Первичным элементом силовой электронной системы является импульсный силовой преобразователь.
Силовой преобразователь состоит из силовых полупроводниковых приборов, которые включаются и выключаются на высоких частотах. Эта операция переключает напряжение и ток через устройства, обеспечивая контролируемую мощность на выходе. В дополнение к этому, мощность, потребляемая от входа, также может контролироваться. Идеальное устройство мгновенно переключает напряжение и ток и обеспечивает нулевое сопротивление при включении и бесконечное сопротивление при выключении. Но в реальном мире ни одно устройство не может быть переключено мгновенно. Импульсные преобразователи связаны с двумя видами потерь мощности в устройствах:
- Коммутационные потери
- Потери проводимости
Потери при переключении возникают при включении и выключении. Например, когда переключатель включается, напряжение на переключателе снижается до низкого значения по сравнению с напряжением, которое блокировалось, когда он находился в выключенном состоянии. При этом ток через устройство идет от нуля до уровня тока нагрузки.
Поскольку этот процесс занимает конечное время, а напряжение и ток меняются, происходит потеря мощности. Переход обратный, когда переключатель выключается. Эти потери составляют коммутационные потери. Коммутационные потери увеличиваются с увеличением частоты коммутации. Чтобы свести к минимуму эти потери, реализовано несколько методов, таких как коммутация при нулевом напряжении и коммутация при нулевом токе, с использованием дополнительных конденсаторов и катушек индуктивности.
Потери проводимости являются результатом конечного падения напряжения во включенном состоянии на переключателях во время проводимости. Наличие новых полупроводниковых устройств и усовершенствований в конструкции устройств помогает снизить потери проводимости.
Для управления переключателями используется схема управления, известная как компенсационная схема. Этот блок играет ключевую роль в минимизации потерь, эффективной и качественной передаче мощности. Блок управления получает сигналы задания и обратной связи в качестве входных данных и выдает сигналы переключения в качестве выходных сигналов.
Современные контроллеры в основном цифровые, в которых обратная связь преобразуется из аналогового сигнала в цифровой и вводится в процессор сигналов. Логика компенсации реализована в программном обеспечении, работающем на процессоре, и генерируются соответствующие сигналы переключения. Эти сигналы проходят через драйверы, чтобы обеспечить достаточную мощность для управления переключающими устройствами. Традиционно в компенсационных схемах используются аналоговые схемы с использованием операционных усилителей и компараторов. Подавая соответствующие управляющие сигналы на переключатели, схемы управления также следят за состоянием системы и блокируют выходную мощность при возникновении неисправностей.
Типы силовых электронных схем
1. Преобразователи переменного тока в постоянный
Входное переменное напряжение преобразуется в постоянное напряжение на требуемом уровне. Для этих приложений традиционно используется диодный мостовой выпрямитель.
Но эта конфигурация приводит к токам с высокими пиковыми значениями и высоким содержанием гармоник. Повышающие преобразователи обычно используются для получения токов, которые находятся в фазе с переменным напряжением.
2. Преобразователи постоянного тока
Входная мощность постоянного тока, будь то нерегулируемая или регулируемая, на выходе преобразуется в регулируемую мощность постоянного тока. Без силовых электронных преобразователей очень сложно генерировать переменную мощность постоянного тока. Благодаря наличию различных конфигураций преобразователей постоянного тока, мощность постоянного тока на требуемом уровне стала незаменимой. Понижающий, повышающий и повышающе-понижающий преобразователи — это три основных преобразователя, которые могут понижать, повышать и обеспечивать оба уровня соответственно.
3. Преобразователи постоянного тока в переменный (обычно называемые инверторами)
Входная мощность постоянного тока от батарей инвертируется для обеспечения питания переменного тока.
Эта мощность переменного тока используется для точного и эффективного управления двигателями переменного тока. Комбинация преобразователей переменного тока в постоянный и постоянного в переменный используется при передаче большой мощности, когда две разные сети соединяются, не беспокоясь о синхронизации.
4. Преобразователи переменного тока в переменный (известные как циклопреобразователи)
Входной переменный ток с переменной величиной и частотой обрабатывается для получения выходного переменного тока с регулируемой величиной и частотой. Генерация энергии ветра — популярное применение этих типов преобразователей. Выходная мощность ветрогенератора изменяется как по величине, так и по частоте в зависимости от скорости ветра. Чтобы подключить эту мощность к сети или нагрузке, необходимо регулирование напряжения и частоты. Эту функциональность обеспечивают преобразователи переменного тока в переменный.
Другие классификации силовых преобразователей включают следующее:
1.
На основе изоляции между входом и выходом:
- Неизолированные преобразователи
- Изолированные преобразователи
2. В зависимости от типа коммутации:
- Преобразователи с жесткой коммутацией
- Преобразователи с программным переключением
3. В зависимости от подключения к электросети:
- Преобразователи, подключенные к сети
- Автономные преобразователи
Важность силовой электроники
Стремление к большей электрификации привело к потребности в большем количестве электроэнергии. Помимо производства электроэнергии, обработка энергии играет ключевую роль в эффективном использовании доступной мощности. Важно, чтобы необработанная мощность была преобразована в форму, пригодную для использования в различных приложениях. Силовая электроника играет ключевую роль в обеспечении питания в соответствии с требуемыми характеристиками.
Основным приложением, демонстрирующим значение силовой электроники в нашей повседневной жизни, является регулятор вентилятора. До появления полупроводниковых регуляторов вентиляторов использовались громоздкие резистивные регуляторы вентиляторов с потерями. Для управления скоростью вращения вентилятора сетевое напряжение переменного тока пропускается через резистор, включенный последовательно с вентилятором. Таким образом, при включенном вентиляторе происходит постоянное рассеивание мощности на последовательном резисторе. В исследованиях были предложены более инновационные способы управления вентиляторами или двигателями, в основном, путем управления напряжением и частотой. Это возможно при наличии силовых полупроводниковых приборов.
В аэрокосмических приложениях, особенно в космических приложениях, размер, вес и надежность являются критическими параметрами. Если мощность обрабатывается на низких частотах, трансформаторы и другие элементы хранения энергии занимают огромное пространство.
Импульсные преобразователи, работающие на высоких частотах коммутации, значительно уменьшают размеры элементов накопления энергии. Размер этих составляющих обратно пропорционален частоте коммутации. Таким образом, устройства с более коротким временем переключения помогают уменьшить общий размер и вес систем.
Современные силовые электронные системы способны работать с мощностью от нескольких ватт до нескольких мегаватт, обеспечивая эффективный и надежный интерфейс между необработанной и регулируемой мощностью. В результате гидравлические и механические приводы заменяются электродвигателями, которыми можно точно управлять с помощью силовых электронных интерфейсов.
Преимущества силовой электроники
Электроэнергии не хватает, и первостепенное значение имеет подача мощности на нагрузки с минимальными потерями. Успехи в исследованиях силовых полупроводников привели к созданию более эффективных химических элементов, таких как карбид кремния и нитрид галлия.
