Общие сведения

Промышленная электроника – наука о применении электронных приборов и устройств в промышленности.

В промышленной электронике можно выделить три области:

- информационную электронику (ИЭ);

- энергетическую электронику (ЭЭ);

- электронную технологию (ЭТ).

Информационная электроника – является основой электронно-вычислительной, информационно-измерительной техники и автоматизации производства.

Энергетическая электроника – является основой устройств и систем преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи частоты и др.

Электронная технология – включает в себя методы и устройства, используемые в технологических процессах, основанные на действии электрического тока и электромагнитных волн различной длины (высокочастотный нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д.).

Главные свойства электронных устройств (ЭУ):

- высокая чувствительность;

- быстродействие;

- универсальность.

Чувствительность электронных устройств – это абсолютное значение входной величины, при котором электронное устройство начинает работать. Чувствительность современных электронных устройств составляет 10^-17 А по току, 10^-13 В по напряжению, 10^-24 Вт по мощности.

Быстродействие электронных устройств обуславливает их широкое применение в автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающими долей микросекунды.

Универсальность заключается в том, что в электронных устройствах используется электрическая энергия, которая сравнительно легко получается из различных видов энергии и легко преобразуется в другие виды энергии, что очень важно, т.к. в промышленности используются все виды энергии.

В настоящее время широкое применение в промышленной электронике находят полупроводниковые приборы, т.к. они имеют важные достоинства:

- высокий КПД;

- долговечность;

- надежность;

- малые габариты.

Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники является интегральная микроэлектроника.

В последние годы широкое применение получили полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС).

Микросхема – микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные провода изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводника и имеют общую герметическую оболочку.

В больших интегральных схемах (БИС) количество элементов (резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов и т.д.) достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2…3 мкм. Быстродействие БИС привело к созданию микропроцессоров и микрокомпьютеров.

Дальнейшее развитие электроники открыло новый раздел науки и техники – оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах.

Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления противоречия между интегральной полупроводниковой электроникой и традиционными электрорадиокомпонентами (резисторы переменные, кабели, разъемы, лампы накаливания и т.д.).

Области применения постоянного тока.

Из всех видов энергии наиболее широкое применение имеет электрическая энергия, так как по сравнению с другими видами энергии (механической, тепловой, ядерной и др.) она обладает важным преимуществами: ее можно передавать на большие расстояния и достаточно просто распределять по потребителям, изменять параметры (значение напряжения, число фаз и др.) и преобразовывать.

Преобладающая часть электрической энергии производится на тепловых, гидравлических и атомных электростанциях вращающимися электрическими машинами, которые генерируют трехфазное переменное напряжение частотой 50 Гц. Трехфазный переменный ток находит широкое применение на промышленных предприятиях, в сельском хозяйстве и в быту.

Однако в ряде важных областей техники нельзя обойтись без постоянного тока, основными потребителями которого являются:

- электролизные установки для получения алюминия, меди, цинка и других технически чистых металлов;

- установки электрохимического покрытия металлом поверхности другого металла с целью повышения коррозионной стойкости, твердости и т.д. (например, никелирование и хромирование железа и др.);

- устройства для зарядки аккумуляторных батарей;

-двигатели постоянного тока на промышленных предприятиях и в электрифицированном транспорте;

- в линиях электропередачи на большие расстояния при высоком напряжении.

Все более широкое применение получает переменный ток частотой 400-2500 Гц для питания электроинструмента, высокоскоростных асинхронных двигателей электрошпинделей шлифовальных станков и др. Применение повышенной частоты позволяет значительно снизить массу электромагнитных устройств (трансформаторов, электродвигателей и др.).

Указанные факторы обуславливают необходимость преобразования переменного тока в постоянный, изменения частоты тока, а порой приходится преобразовывать постоянный ток в переменный (например, при рекуперативном торможении двигателей постоянного тока).

Вращающиеся и статические преобразователи.

До недавнего времени в качестве преобразователей тока и частоты применялись преимущественно двигатель-генераторы, в которых постоянный ток или переменный ток повышенной частоты получался с помощью генераторов, приводимых во вращение трехфазными двигателями переменного тока (асинхронными или синхронными).

Конструктивно двигатель и генератор устанавливаются на общей фундаментной плите, а валы их соединяются муфтой. При работе агрегата двигатель преобразует электрическую энергию в механическую, а генератор производит обратное преобразование.

Электромашинное преобразование электрической энергии имеет существенные недостатки: во-первых, двигатель-генераторы имеют значительную массу и габариты, так как каждая из электрических машин выбирается на полную мощность нагрузки; во-вторых, к.п.д. таких установок, определяемый произведением к.п.д. двигателя и генератора, низкий; в-третьих, вращающиеся преобразователи при работе создают акустический шум.

В настоящее время постоянный ток получают путем непосредственного выпрямления переменного тока с помощью электрических вентилей, которые осуществляют переключения в цепи выпрямителя. Такие преобразователи называются статическими и в отличие вращающихся не имеют промежуточной ступени механической энергии.

Применение вентильных преобразователей позволяет заменить вращающиеся машины статическими аппаратами, повысить к.п.д. установки, устранить шум и т.д.