Energoelektronika

Energoelektronika, określana jest również jako elektronika mocy i elektronika przemysłowa. To specjalna gałąź elektroniki, która zajmuje się zastosowaniem układów elektronicznych dużej mocy – tzw. przekształtników energoelektronicznych. Jest wykorzystywana głównie w układach napędowych o regulowanej prędkości obrotowej.

Historia energoelektroniki

Energoelektronika to stosunkowo młoda gałąź nauki z pogranicza elektroniki i elektrotechniki, która wyłoniła się na przełomie XIX i XX wieku. Kluczowe w jej wczesnej historii było wynalezienie jednofazowego prostownika mostkowego – mostka Graetza z 1895 roku. Następne istotne odkrycia - prostownika rtęciowego w 1901 roku, tyratronu w 1923 roku oraz ignitronu w 1933 roku. Początek nowoczesnej energoelektroniki półprzewodnikowej dało wynalezienie tranzystora w 1948 roku. Od tamtego czasu opracowano wiele nowych elementów półprzewodnikowych. Zwiększyły się również ich zakresy prądowe i napięciowe. Jest to proces ciągły i bardzo dynamiczny, który wciąż postępuje w bardzo szybkim tempie.

Współczesna energoelektronika wyodrębniła się około 30-40 lat temu. Na początku powiązana była jedynie ze sterowaniem pracą silników elektrycznych. Pierwsze przekształtniki energoelektroniczne były skonstruowane na bazie tranzystorów mocy, które wymagały bardzo dużego impulsu prądowego jako sygnału sterującego i mogły pracować w bardzo wąskim zakresie częstotliwości rzędu kiloherców. Przez ostatnie trzydzieści lat doszło do znacznych zmian w tym zakresie, a kluczową rolę odegrała nowa technika mikroprocesorowa oraz rozwój półprzewodnikowych przyrządów mocy.

Rozwój przekształtników

W rozwoju samych przekształtników kluczową rolę odegrało wynalezienie półprzewodnikowych elementów mocy. Punktem zwrotnym było zbudowanie tranzystora IGBT, który łączył w sobie zalety napięciowego sterowania znanego z tranzystora MOS oraz dynamikę tranzystora bipolarnego. Dodatkowo napięcie na nim ma stałą wartość kilku Volt, co pozwala na zmniejszenie strat łączeniowych w porównaniu do tranzystorów MOS. Mogą one pracować przy częstotliwościach rzędu dziesiątek kiloherców, co pozwala na skuteczne nieumniejszenie rozmiarów transformatorów stosowanych w przekształtnikach. Dzięki temu można zmniejszyć też starty łączeniowe i ustawić częstotliwość łączeń powyżej pasma słyszalnego, by uniknąć kłopotliwych i nieprzyjemnych dźwięków, jakie były związane z pracą niegdyś budowanych układów. Współczesny rozwój przekształtników energoelektronicznych zmierza w kierunku wykorzystania tranzystorów zbudowanych z węgliku krzemu. Mogą one pracować w temperaturach rzędu kilkuset stopni Celsujsza, podczas gdy dotychczas produkowane krzemowe, są zdolne do pracy jedynie w około stu stopniach Celsjusza. Zwiększenie temperatury roboczej pozwoli na uzyskania wyższych gęstości przenoszonych energii.

Na czym opiera się energoelektronika?

Energoelektronika wchodzi w skład elektroniki przemysłowej i obejmuje projektowanie, wytwarzanie, analizę, sterowanie i zastosowania przyrządów półprzewodnikowych dużej mocy oraz układów energoelektronicznych. Jako te drugie klasyfikujemy układy składające się z jednego bądź kilku przekształtników energoelektronicznych oraz układu sterującego, którym może być FPGA, DSP czy mikrokontroler. W prostych wykonaniach stosuje się nawet niewielkie układy cyfrowe zbudowane na bazie bramek logicznych bądź przekaźniki czasowe.

Zastosowanie mikrokontolerów umożliwia wdrożenie skomplikowanych algorytmów sterowania przekształtnikami. Układ sterujący na podstawie danych z czujników pomiarowych oraz obliczeń dokonywanych w czasie rzeczywistym wypracowuje sygnał sterujący. Jest to rzecz szczególnie przydatna we współczesnych układach napędowych, w których występują zjawiska o bardzo niewielkich stałych czasowych. Stosowanie układów programowalnych FPGA bądź szybkich procesorów sygnałowych DSP umożliwia zastosowanie niezwykle złożonych algorytmów, które umożliwiają eliminację czujników pomiarowych z układu sterowania, ale jednocześnie wymagają trudniejszych obliczeń.