Түрлендіргіштік техниканың негізгі мақсаттары.

Ші дәріс тақырыбы. «Кіріспе. Түрлендіргіштік техниканың даму тарихы және қазіргі жағдайы жөнінде қысқаша мәліметтер».

 

Ғылыми-техникалық прогрестің дамуын жеделдету, Қазақстан Республикасының экономикасын индустриалдық-инновациялық жолға көшіру өндіріс тиімділігін көтерудің басты мәселелерінің бірі болып табылады. Бұл мәселелерді өндірістің көптеген салаларында, көлікте, электр энергетикасында автоматтандыру мақсаттары үшін электрониканы кеңінен қолданып шешуге болады. Электрониканың қолданыс аясын кеңейту – ғылыми-техникалық прогрестің қазіргі кезеңдегі негізгі ерекшелігі.

Электроника әртүрлі физикалық құбылыстарды оқып-білу және қолданумен, сонымен қатар вакуумда, газда және т.б. орталарда электр тогы ағымына негізделген құрылғыларды жасау және пайдаланумен байланысты ғылым және техниканың кең бөлігін қамтиды.

Өндірістік электроника (өндірісте, көлікте, электр энергетикасында электрониканы қолдану) және радиоэлектроника (радиотехникамен теледидарламада электрониканы қолдану) электрониканың кең мағынада қарастырылатын маңызды құрамдық бөлігі болып табылады.

Әртүрлі техника түрлерін басқару, өлшеу, бақылау және қорғау құрылғыларымен, сонымен бірге электр энергиясын түрлендірудің электронды жүйелерімен қамтамасыз ететін өндірістік электроникаға, өз алдына:

1) өндірістік объектілерді және технологиялық процестерді өлшеу, бақылау және басқарумен байланысты электронды жүйелерді және құрылғыларды қамтитын ақпараттық электроника;

2) электр тогы түрін электржетек, электр термиясы, электр технологиясы, электр энергетикасы және т.б. мақсаттары үшін түрлендірумен байланысты энергетикалық электроника (түрлендіргіштік техника).

Өндірістік электроника үнемі даму үстінде. Бұл, ең әуелі, оның элементтік базасының үздіксіз дамуымен анықталады. Өндірістік электрониканың элементтік базасы дамудың бірнеше сатысынан өтті.

Өндірістік электрониканың дамуы электрвакуумдық және газразрядтық аспаптардың пайда болуымен басталды. Төмен сенімділігі, эксплуатация күрделілігі, жоғары тұтыну қуаты электрониканы қолдану салаларын кеңейту үшін тежеуші фактор болды. Өндірістік электроникада электрвакуумдық аспаптар қазіргі уақытта шектеулі қолданыс табуда, ал газразрядтық аспаптар негізінен индикация элементтері түрінде пайдаланылады.

Ақпараттық электрониканың ары қарай дамуына 1948 жылы транзистордың пайда болуы, ал энергетикалық электроника үшін – күштік шалаөткізгіштік аспаптарды жасау және дамыту негіз болды.

Транзисторларды қолдану белгілі бір сатыда сенімділікті едәуір көтеруге, тұтыну қуатын, габариттерін, сонымен қатар электронды аппаратураны өндіру және эксплуатация шығынын азайтуға мүмкіндік берді.

Алайда жоғарыда аталған көрсеткіштерді жақсартудың жалпы тенденциясы электронды аппаратураның өсіп келе жатқан күрделілігі жағдайында дискретті компонентердегі аппаратурадан оның интегралды орындауына көшуге мәжбүр етті.

70-ші жылдардан бастап электронды аппаратураның көп бөлігі интегралды микросхемаларда өндіріле бастады. Ақпараттық электроника дамуының қазіргі деңгейі микроэлектроника компоненттерін, интегралды схемаларды қоса, кеңінен қолданумен сипатталады.

Энергетикалық электрониканың дамуы тұрақты токпен және айнымалы токтың стандарттық емес жиілігінде тұтынатын электр энергиясының үлестік салмағын арттырудың өсіп келе жатқан талаптарымен және элементтік базаның үздіксіз жетілуімен (күштік жартылай өткізгіштік аспаптардың бірліктік қуатын көбейту, олардың динамикалық көрсеткіштерін жақсарту, аспаптардың жаңа түрлерінің пайда болуы) ынталандырылады.

Осының бәрі электр энергиясын генерациялау, қашықтыққа беру, тарату; еңбектің электрмен қарулануын көтеру; сонымен қатар өнеркәсіптің әртүрлі салаларында өнімді технологияларды пайдалану үшін тиімді жағдайларды жасауға мүмкіндік береді.

Алғашқы электр энергиясының түрлендіргіштері өткен (XX-шы) ғасырдың 20-шы жылдары пайда болды. Бұл түрлендіргіштердің күштік элементтері ретінде қуатты лампалық тиратрондар және игнитрондар қызмет еткен. Олардың салмағы және габариттері жоғары, салқындату жүйелері өте күрделі, сенімділігі төмен болды. Алайда, барлық кемшіліктеріне қарамастан, түрлендіргіштер сол заманның өзінде қалалық және теміржол көліктерінде практикалық қолданыс тапты.

Түрлендіргіштік техниканың дамуында айтарлықтай ілгері басу алпысыншы жылдары алғашқы басқарылмайтын (диодтар) және басқарылатын (тиристорлар) күштік жартылай өткізгіштік элементтерді ойлап тапқанда болды. Бұл элементтер теміржол көлігінде, тұрақты ток электржетектерінде және электротермияда кеңінен қолданыс тапқан күштік жартылай өткізгіштік басқарылатын және басқарылмайтын түзеткіштерді жасауға мүмкіндік берді.

Үшінші, түрлендіргіштік техникасының дамуындағы ең маңызды кезеңі нарықта алдымен биполярлы жоғарывольтті транзисторлардың және толық басқарылатын (ОТО) тиристорлардың, содан кейін базасы оқшауланған IGBT (Insuled Gate Bipolar Transistor) биполярлы транзисторлары және MOSFET (Metal Oxide Semicondactor Field Effect Transistor)қуатты далалық транзисторлары пайда болғанда басталады.

Бұл кезеңнің негізгі ерекшелігі энергияны түрлендіру техникасының революциялық өзгеруі болып табылады. Өзгеріс жартылайөткізгіштік түрлендіргіштер тезәрекеттілігінің айтарлықтай көбеюіне негізделеді, ал ол, өз кезегінде, салмағын және габариттерін азайтуға, ПӘК-ін және сенімділігін көтеруге, ендік-импульстік модуляцияны және микропроцессорлық басқаруды жүзеге асыруға мүмкіндік береді.

Күштік жартылайөткізгішті түрлендіргіштерді электрэнергетикасында, көлікте, металлургияда және басқа салаларда қолдану едәуір экономикалық нәтиже береді. Мысалы, АҚШ-да барлық өндірілетін энергияның 70% түрлендіріледі.

Түрлендіргіштік техника, салыстырмалы түрде қарастырғанда, жас ғылым. Бұл ғылымның дамуына бұрынғы кеңес ғалымдары үлкен теориялық еңбек сіңірді. Мәскеу, Санкт-Петербор, Киев, Минск, Харьков, Новосибирск, Таллинн, Ташкент, Алматы және т.б. қалалардың ғалымдары осы сала бойынша ғылыми мектептерді қалыптастырды. Олар түрлдендіргіштік техниканың дамуына көп әсер етті.

Алайда өмір алдымызға жаңа талаптармен мәселелерді ұсынады, және сол мәселелерді шешу үшін түрлендіргіштік техниканың теориясымен практикасын дамыту қажеттілігін туғызады.

Сөзсіз, бұл салада талай жаңалықтар ашылып, қызықты ғылыми және техникалық жұмыстар пайда болады.

Түрлендіргіштік техниканың негізгі мақсаттары.

Соңғы жылдары күштік электроника деп аталып жүрген түрлендіргіштік техника күштік жартылайөткізгішті аспаптарымен (диодтар, тиристорлар, қуатты транзисторлар) жасалған жартылайөткізгішті түрлендіргіштердің қасиеттері оқытылатын электротехниканың саласы болып табылады.

Күштік жартылайөткізгішті аспаптарын қолданып жасалатын жартылайөткізгішті түрлендіргіштер электр энергиясын сипаттайтын параметрлерді түрлендіру үшін қызмет етеді. Бұл параметрлерге:

1) кернеудің және токтың түрі және формасы (мысалы: тұрақты, айнымалы; синусоидалдық, синусоидалдық емес; периодтық, импульстік және т.б.);

2) кернеудің және токтың шамасы (мәні)(тұрақтылары үшін орташа, айнымалылары үшін әсерлік және амплитудалық);

3) жиілік;

4) фазалар саны жатады.

Жартылайөткізгішті түрлендіргіштің блок-схемасы 1.1. суретінде көрсетілген.

Жартылайөткізгішті түрлендіргіш u_1,f₁ параметрлі электрэнергиясын басқару сигналдарының ықпалымен u₂,f₁ параметрлі электрэнергиясына түрлендіреді.

Күштік жартылайөткізгіштік түрлендіргіш

U1, f1 U2,f2

 

 

 

Басқару сигналы

 

1.1. суреті. Жартылайөткізгішті түрлендіргіштің блок-схемасы.

 

Күштік жартылайөткізгішті элементтерден бөлек жартылайөткізгішті түрлендіргіш құрамына басқа элементтер де кіреді. Оларға, ең алдымен:

1.реактивті элементтер – конденсаторлар, индуктивтік орауыштар, дроссельдер;

2.электромагнитті түрлендіру элементтері – трансформаторлар, өлшеу трансформаторлары;

3.интегралды микросхемотехника элементтерінде немесе микроконтроллерде жүзеге асырылған күрделі электронды құрылғы – басқару жүйесі;

4.қорғау және апаттық режимдерде сигналдау жүйесі жатады.

Электрэнергиясын түрлендіру қажеттілігі келесі жағдайларда туындайды:

· электр машиналарын басқаруда;

· аккумуляторларды зарядтау жүйелерінде;

· электртермиясында;

· энергия желілерінде жарық беруді реттеу жүйелерінде және т.б.

Әдебиет: нег.1[5-7], қос.5 [4-7].

Бақылау сұрақтары:

1.Түрлендіргіштік техника дамуының негізгі кезеңдерін атап беріңіз.

2.Жартылайөткізгіштік аспаптар пайда болғанға дейін түрлендіргіштерді жасау үшін қандай элементтерді қолданған?

3.Күштік жартылайөткізгіштік элементтердегі түрлендіргіштік құрылғыларды қолдану салаларын атап беріңіз.

4.Күштік жартылайөткізгіштік элементтерді өнеркәсіпте қолдану қандай артықшылық береді?

5.Электр энергиясын түрлендіру қажеттілігі қандай жағдайларда туындайды?