История электротехники
Шрифт:
Следующим важным новшеством, упрощающим разработку преобразовательных устройств, стала унификация средств сопряжения силовых полупроводниковых вентилей (силовых ключей) с цепями управления. Таким средством сопряжения информационных маломощных устройств с уровнями сигналов в единицы вольт и единицы миллиампер с управляющими цепями силовых модулей служит драйвер, который не только выполняет функции усиления мощности управляющего сигнала, но и обеспечивает потенциальную развязку с помощью оптронов или разделительных трансформаторов, питание формирователей управляющих сигналов от изолированных источников, выполнение некоторых вспомогательных функций, например, формирование комплементарных (взаимно инверсных) сигналов управления, введение
Система интегральных модулей: микроконтроллеры — драйверы — силовые интегральные модули — образует замкнутую технологическую цепь управляемого преобразования электрической энергии.
Следующим шагом в развитии элементной базы силовой электроники стали так называемые интеллектуальные (разумные) силовые модули.
Интеллектуальный силовой модуль представляет собой сложную интегральную силовую схему (размер корпуса соизмерим с размером калькулятора). Модуль содержит управляемую силовую схему, например трехфазный мост, систему драйверов силовых ключей, внутренние схемы защиты от перегрузок по току и от перегрева, узлы потенциальных развязок между управляющими цепями, силовыми цепями и элементами конструкции модуля.
Интеллектуальные модули комплектуются в силовой части биполярными транзисторами, оптотиристорами, транзисторами с полевым управлением, быстродействующими триристорами и т.д.
Современная силовая электроника развивается в направлениях, которые отражают общие тенденции высокотехнологичного производства. Преобразователь электрической энергии представляет собой одно из звеньев в системе управляемого преобразования энергии и информации. Он ориентирован на удовлетворение запросов пользователя и обычно должен отвечать следующим требованиям:
простое подключение к источнику питания, которым обычно служит одно- или трехфазная сеть напряжением 220–380 В, частотой 50 или 60 Гц;
микропроцессорное управление (автоматизация основных операций, наглядная индикация, защита от некорректных действий и пр.);
продуманная конструкция и дизайн, отсутствие опасных, отвлекающих или раздражающих факторов, простота обслуживания, ремонта, контроля и диагностики.
Применение интеллектуальных силовых модулей позволяет осуществить защиту наиболее дорогостоящих узлов внутренними средствами модуля, минуя внешнюю обработку информации в контуре обратной связи.
Практически все преобразовательные устройства в настоящее время представляют собой замкнутые системы с обратной связью по одному или нескольким существенным параметрам. Таким образом, в этих устройствах должны быть интегрированы узлы силовых и информационных систем. Силовые модули с драйверами, микроконтроллеры с датчиками контролируемых параметров и внешние управляющие устройства образуют тот набор функциональных узлов, на основе которого разработчик может создавать управляемые преобразовательные устройства самого различного назначения. В последние годы активно разрабатываются узлы силовой электроники для источников бесперебойного электропитания; локальных систем регулируемого электропривода (например, частотно-регулируемый асинхронный привод насосов, вентиляторов); корректоров коэффициента мощности для компенсации влияния реактивных и нелинейных нагрузок; преобразователей для источников возобновляемой энергии (солнце, ветер и пр.), а также для утилизации вторичных энергоресурсов; преобразователей для нового вида приводов Switched Reluctance Drive — вентильно-индукторного привода (SRD — ВИП). Этот перечень можно продолжать, однако в наши дни очевидно, что интегрированные силовые и интеллектуальные устройства характеризуются быстрыми темпами развития, расширением сферы применения.
Ведущими зарубежными фирмами в области силовой электроники, в частности силовых модулей последних поколений, являются «Motorola» (США), «Siemens» (Германия), «Mitsubishi» (Япония), «Semikron» (Германия), IR («International Rectifier», США).
Рынок
средств силовой электроники в настоящее время оказался одним из наиболее динамичных в электротехнике и наиболее интегрированных с рынком микроэлектроники.11.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Под технологической электроникой обычно понимается совокупность методов и средств для создания и использования электронных и ионных пучков или электромагнитных волн с целью непосредственного воздействия на объект, подвергающийся обработке.
Для осуществления такого воздействия во второй половине XX в. уже создано и продолжает появляться множество разнообразных устройств, установок и комплексов, которые в целом следует отнести к категории «технологического оборудования» независимо от того, служит ли оно металлургии или медицине, получению новых веществ или обработке материалов, производству или приготовлению пищевых продуктов, изготовлению электровакуумных приборов или интегральных схем.
Общепринятой классификации установок технологической электроники пока не существует, однако все разнообразие рассматриваемого оборудования укрупненно можно разделить на несколько классов. Это установки, использующие энергию:
электронных и ионных потоков;
электромагнитного излучения оптического диапазона (некогерентного и когерентного излучения);
электромагнитного излучения СВЧ-диапазона;
высокочастотных колебаний (нагрев проводников и диэлектриков в высокочастотном электромагнитном поле).
Собственно технологические вопросы излагаются в гл. 7, в данной главе уделено внимание только источникам.
Установки указанных классов могут дополнительно характеризоваться общими и отличительными признаками, зависящими от того, что собой представляет сам объект, бомбардируемый потоком заряженных частиц или облучаемый электромагнитными волнами; какой результат должен быть получен в результате технологического процесса; в каком режиме (непрерывном, импульсном) и в какой среде (рабочей, защитной, окружающей) он проводится и, естественно, в какой конкретной отрасли применяется.
11.3.1. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ И ИОННЫХ ПОТОКОВ
Под электронно-ионной технологией в широком смысле понимают комплекс методов обработки материалов и объектов потоками электронов, ионов, плазмы и нейтральных атомов. Данные процессы широко используются в металлургии, машиностроении, производстве изделий электронной техники, приборостроении, плазмохимии, медицине, а так же в научных исследованиях. Электронно-ионные технологии, в которых электронные и ионные пучки используются в качестве носителей энергии, обладают рядом преимуществ перед традиционными способами обработки: широким диапазоном регулирования концентрации энергии в пучках заряженных частиц вплоть до значений, недоступных для ранее известных источников, локальностью и селективностью воздействия, проведением процессов в вакууме, доступностью безынерционного управления и автоматизации.
История электронно-лучевой технологии непосредственно связана с развитием физики электронных пучков, электронной оптики и вакуумной техники. Среди основных этапов на пути технологического применения электронных пучков следует отметить первые опыты по плавке тантала М. Пирани (М. Pirani, Германия, 1905 г.), работы М. фон Арденне (M.V. Ardenne, Германия) по сверлению и испарению металлов в 30-е годы, развитые в дальнейшем К. Штайгервальдом (К. Steigerwald, Германия, 1950 г.) в области прецизионной обработки поверхностей, а также работы Дж. Стора [(J.A. Stohr), США, 1958 г.] в области технического применения электронно-лучевой сварки. Особо следует выделить пионерские работы по формированию и выпуску в атмосферу концентрированных электронных пучков, проведенные в 30–40-х годах С.Т. Синицыным в ВЭИ (СССР).