Výkonová elektronika je technológia, ktorá umožňuje premenu a reguláciu elektrického prúdu (výkonu) s použitím regulačných možností aktívnych elektronických prvkov. Podieľa sa na efektívnej a ekologickej realizácii regulačných pohonov, kompenzačných zariadení a filtrov vyšších harmonických, elektrochemických procesov, vysokofrekvenčného ohrevu, zvárania, HVDC prenosov, fotovoltických a veterných zdrojov, ako aj ostatných prvkov Smart grid-u. História výkonovej elektroniky zahŕňa rádovo 100 rokov, ale potreba premien elektrického prúdu siaha ešte ďalej.

Potreba premeny jednosmerného (DC – direct current) a striedavého (AC – alternating current) prúdu sa vynorila v rovnakom čase ako možnosť všeobecného uplatnenia elektrickej energie v spoločnosti. Jednosmerný motor patentoval Američan Thomas Davenport v roku 1837, ale praktického rozšírenia sa dočkal až okolo roku 1880. Komerčne využiteľný asynchrónny motor vynašiel v roku 1888 Nikola Tesla využijúc objavy Galilea Ferrarisa z roku 1885. Nasledovalo obdobie „elektrotechnickej revolúcie“ v 19. storočí, ktoré logicky nadväzovalo na priemyselnú revolúciu z 18. storočia.

Na začiatku tohto obdobia sa použite jednosmerného a striedavého prúdu stalo premetom „vojny prúdov“, pravdepodobne prvého komerčného sporu v oblasti energetiky. Vo vojne prúdov proti sebe stáli spoločnosti General Electric (Thomas Edison) ako zástupca DC prúdu a Westinghous (George Westinghouse a Nikola Tesla) preferujúci AC prúd. Aktéri tohto sporu sa neštítili použiť aj nie celkom humánne verejné demonštrácie bezpečnosti elektrického prúdu usmrcovaním zvierat pomocou elektrického prúdu.

Napriek zjavným výhodám striedavého prúdu pri napájaní lokálnych rozvodov NN sústavy zaviedlo napríklad mesto New York striedavý prúd až v roku 1927, kým prvá DC elektrizačná sústava v tomto meste bola zavedená už v roku 1882 (T. Edison). Posledný verejný DC rozvod bol zrušený až v roku 2007. Prvý vysokonapäťový AC prenos bol zavedený medzi Buffalom a New Yorkom v roku 1886 (N. Tesla). Na území Slovenska sa začala lokálna elektrizácia jednosmerným prúdom už koncom 19. storočia najmä v mestách s rozvíjajúcim sa priemyslom. Skutočný rozmach elektrizácie na Slovensku však nastal až po prvej svetovej vojne, po roku 1920 už prebiehala elektrifikácia striedavou sústavou.

Elektromechanické premeny

Vzájomná premena jednosmerného a striedavého prúdu v prvopočiatkoch všeobecného využitia elektrickej energie bola realizovaná výhradne pomocou mechanickej premeny. V úvode spomenuté elektrické stroje boli doplnené komerčnou dostupnosťou viacfázových alternátorov od roku 1891. Okrem klasických „motor-generátorov“, teda strojov, ktoré vzniknú spojením hriadeľov „motora“ (synchrónneho, asynchrónneho, jednosmerného) a „generátora“ (DC dynama alebo AC alternátora), bolo možné nájsť celé množstvo elektromechanických „meničov“ na báze vibrátorov alebo komutátorov, ktoré umožňovali premenu prúdu v oboch smeroch.

O niečo neskôr boli zhotovené takzvané jednokotvové meniče, kde sa spojenie motora a generátora realizovalo na jednom hriadeli tak, že spoločné vinutie bolo z jednej strany vyvedené na zberacie krúžky a z druhej na komutátor. Takéto meniče sa vyrábali pre výkon aj stovky kilowattov. Princíp spojenia motora a generátora na reguláciu prúdu sa stal tiež základom Ward-Leonardovej skupiny (1891), ktorá bola dlho svätým grálom regulačných pohonov.

Aj keď elektromechanické stroje mohli slúžiť na premenu aj reguláciu toku energie, vyznačovali sa tiež istými negatívami, medzi ktoré patrí napríklad vysoká hlučnosť, náročná údržba, nízka účinnosť a zložitá obsluha. Silná požiadavka na pokrok v oblasti najmä regulačných pohonov tak priniesla rýchly vývoj a nástup výkonovej elektroniky v 20. storočí. Treba poznamenať, že v období elektromechanických premien elektrického prúdu vznikli mnohé princípy regulácie a požiadavky na vlastnosti, ktoré pretrvávajú do dnes. Nie je neobvyklé, ak moderné riadiace a regulačné zariadenia simulujú prirodzené vlastnosti dnes už historických strojov alebo sústrojov.

Doba vákuová

Za skutočný začiatok histórie výkonovej elektroniky možno považovať objav ortuťového usmerňovača, ktorý patentoval Peter Cooper Hewitt v roku 1902. Uplatňuje sa tu poznatok, že výboj v ortuťových parách vedie elektróny len v smere od ortuťovej katódy k uhlíkovej anóde. Usmerňovač našiel okamžite uplatnenie pri nabíjaní akumulátorov, elektrolýze, galvanizácii a tiež napájaní verejných rozvodov (napríklad verejné osvetlenie 1905 Schenectady, New York) a elektrickej trakcie.

Takýto usmerňovač vyžadoval rozsiahle príslušenstvo, ale bol schopný pracovať s napätím niekoľko kilovoltov a prúdom rádovo tisícov ampérov, čím umožňoval nahradiť pomerne veľké rotačné meniče. V Československu sa vyrábali cca od obdobia prvej republiky do roku 1967, v bežnej prevádzke boli ortuťové usmerňovače ešte v 90. rokoch 20. storočia. Výnimočne bolo možné nájsť najväčšie ortuťové usmerňovače v prevádzke aj omnoho neskôr, napríklad 150 kV 1 800 A usmerňovač v Nelson River DC Transmission System bol v prevádzke do roku 2004 alebo usmerňovač na Inter-Island HVDC prenose na Novom Zélande bol zrušený až v roku 2012 a nahradený tyristorovým usmerňovačom.

Zlomovým bolo zavedenie riadiacej elektródy Irvingom Langmuirom v roku 1914. Použitie tejto elektródy v ortuťovom usmerňovači umožnilo vznik takzvanej fázovej regulácie, pri ktorej dochádza k oneskoreniu momentu zapnutia (zapálenia) o riadiaci uhol (všimnite si analogický anglický pojem firing angle) oproti momentu prirodzenej komutácie. Bolo teda možné skonštruovať prvé riadené elektronické meniče, ktoré umožňovali zmenu veľkosti efektívnej (AC), respektíve strednej (DC) hodnoty napätia. Súčasné tyristorové meniče s fázovou reguláciou sú založené práve na tomto objave.

Prvé praktické aplikácie takéhoto zapojenia sú napríklad 3 000 kW riadený ortuťový usmerňovač pre newyorské metro z roku 1930 alebo cyklokonvertor (50 na 16,6 Hz) Nemeckých železníc z roku 1933. Éru prvkov so studenou katódou uzatvára objav ignitrónu Josepha Slepiana v roku 1933. Ignitróny boli použité napríklad na prvom HVDC prenose na Gotlande vo Švédsku v roku 1954.

V roku 1926 prichádza americká spoločnosť General Electric s objavom tyratrónu (Thyratron), čo je vákuová súčiastka so žeravenou katódou podobná elektrónke, ale určená na spínanie relatívne veľkého prúdu a napätia. Tyratrón je súčiastka funkčne veľmi podobná dnešnému tyristoru, ktorého názov je práve odvodený od pôvodného tyratrónu.

Tyratróny boli vo svete rozšírené v riadených usmerňovačoch s fázovou reguláciou na napájanie malých DC regulačných pohonov. Prvú aplikáciu AC pohonu so zmenou frekvencie realizoval tiež vďaka tyratrónom v roku 1934 Ernst Alexanderson (pozri tiež Alexandersonov alternátor) pri napájaní ventilátora poháňaného synchrónnym motorom s výkonom 400 HP (298 kW) v elektrárni Logan. Tyratróny stredného výkonu bolo možné nájsť tiež napríklad v riadení pohonov posuvu legendárneho sústruhu Monarch Machine Tool 10EE, kde sa používali od roku 1949 do roku 1984, keď boli nahradené polovodičmi.

Tyratróny sú dodnes vyrábané a používané súčiastky. V súčasnosti sú dosahované hodnoty anódového napätia v desiatkach kilovoltov, prúdu niekoľko kiloampérov a času zopnutia v desiatkach nanosekúnd. Uplatnili sa v ochranných obvodoch jednosmerných vysokonapäťových zdrojov, napríklad vo vysielacích, resp. vysokofrekvenčných elektrónkach (vysielače, indukčný ohrev, lekárska technika). Možno ich nájsť aj v obvodoch radarovej techniky spolu s klystrónmi, magnetrónmi a pod.

Nástup polovodičov

Za prvé polovodičové usmerňovače možno považovať kontaktné (SiO) a selénové usmerňovače, ktoré boli objavené okolo roku 1886. Prakticky použiteľné, sériovo vyrábané usmerňovače na tomto princípe sa však objavili až 30. rokoch 20. storočia. Záverné napätie cirka 20 V/platňu sa neskôr zvýšilo zdokonalením technológie na zhruba 50 V/platňu, čo je zároveň dôvod, prečo možno selénový usmerňovač nájsť zvyčajne v platňovom vyhotovení. Prúdová zaťažiteľnosť bola asi 0,1 A/cm2.

Selénové usmerňovače sa bežne používali zhruba do 70. rokov 20. storočia. V 60. rokoch sa nahrádzali kremíkovými diódami, aj keď v prípade špeciálnych aplikácií, napríklad pri napájaní galvanizačných procesov, kde sa vyžadovalo malé napätie pri veľkom prúde, bolo použitie selénových usmerňovačov z dôvodu menšieho úbytku napätia v priepustnom smere stále výhodnejšie.

Skutočne prelomovým však bolo objavenie tranzistora v roku 1947 tímom amerických vedcov Johna Bardeena, Waltera Brattaina a Williama Schockleyho (všetci laureáti Nobelovej ceny za fyziku v roku 1956). Prvé tranzisotry boli germániové, neskôr kremíkové, kontaktnú technológiu nahradila epitaxia. Aj keď tranzistor umožnil významný pokrok v oblasti elektroniky, vzhľadom na prúdové a napäťové hladiny sa v tomto čase ešte vo výkonovej elektronike neuplatnil.

Ďalším míľnikom v oblasti polovodičových prvkov je pre výkonovú elektroniku až rok 1956 s objavom P-N-P-N tranzistora a jeho aplikácia v podobe komerčne dostupného tyristora (1958 General Electric).

Na našom území, teda v Československu sa začali germániové tranzistory vyrábať v roku 1957. Polovodičové riadené prvky na báze kremíka (tyristory) boli uvedené na našom trhu v roku 1965. Tieto prvky našej výroby postupne dosahovali parametre záverného napätia rádovo 10 kV a prúdové zaťaženie v priepustnom smere do 100 A/cm2. V Československu tak mohlo dôjsť k rozšíreniu výkonovej elektroniky do praxe na prelome 70. a 80. rokov, čím sa stala súčasťou racionalizácie v priemysle.

Z produkcie americkej spoločnosti General Electric vzišiel v roku 1958 tiež antiparalelný tyristor – triak so svojím uplatnením pri spínaní a regulácii AC prúdu. V rovnakom roku uzrel svetlo aj tyristor GTO (Gate Turn-Off), ktorý umožňoval nielen zapnutie, ale aj vypnutie pomocou riadiaceho impulzu (tento vypínací impulz však má rádovo vyššiu energiu ako zapínací, a tak ostalo použitie druhého komutačného tyristora ešte dlho výhodnejšou alternatívou). Tranzistory riadené poľom, napríklad MOSFET, boli teoreticky opísané už omnoho skôr, ale praktickej realizácie sa dočkali až v 70. rokoch minulého storočia. Aplikácia výkonových tranzistorov umožnila jednoduchú nezávislú voľbu momentu zapnutia aj vypnutia prvku, čo viedlo k možnosti aplikácie šírkovo impulznej modulácie (PWM – Pulse-Width Modulation) vo výkonovej elektronike. PWM sa uplatňuje nielen pri tvorbe priebehu napätia v striedačoch, ale dnes sa aplikuje aj v usmerňovačoch, kde umožňuje reguláciu bez zníženia účinníka a výrazného zvýšenia obsahu vyšších harmonických v obvodových veličinách.

V roku 1983 bol objavený tranzistor IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor), ktorý je de facto kombináciou bipolárneho a poľom riadeného tranzistora. Spočiatku mali prvé IGBT problémy pri vypínaní a ich funkcia pripomínala tyristor, komerčne dostupné IGBT od roku 1985 však už týmto neduhom netrpeli. Zásadný prínos IGBT možno vidieť vo veľmi malých spínacích stratách, ktoré umožnili zvýšiť pracovnú frekvenciu meničov a tým dosahovať prijateľnejší priebeh výstupných veličín pri použití PWM.

Ďalší vývoj koncom 20. a začiatkom 21. storočia priniesol objavy ako static induction tranzistor a tyristor, MOS Turn-off tyristor alebo IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor). Tieto prvky sa však vo všeobecnosti prakticky nepoužívajú alebo nedosiahli postavenie porovnateľné s IGBT tranzistormi a tyristormi, ktoré majú v súčasnosti spolu majoritné postavenie vo výkonových obvodoch elektronických meničov.

Elektronické meniče energie

Elektronické meniče energie používané v elektrotechnike a elektroenergetike majú za úlohu meniť parametre vstupného napätia s cieľom napájať spotrebič, ak je určený pre napätie s inými parametrami, alebo riadiť, resp. regulovať spotrebič.

Prvé elektronické meniče vychádzajú z možnosti ovládania momentu zapnutia výkonového prvku a použitia fázovej regulácie. Meniče s fázovou reguláciou (strednej hodnoty DC napätia, efektívnej hodnoty AC napätia) sa s použitím ortuťových usmerňovačov a tyratrónov realizujú od 30. rokov minulého storočia. Tieto meniče sú komutované sieťou alebo záťažou, ich nevýhodou je prirodzené zhoršovanie účinníka prvej harmonickej s narastajúcim riadiacim uhlom fázovej regulácie. S nástupom polovodičovej techniky boli v 60. rokoch nahradené vákuové prvky tyristormi.

Tyristorové meniče zaujímali skoro monopolné postavenie až do 90. rokov 20. storočia, keď vývoj v oblasti ventilov s vlastnou komutáciou (tranzistory) umožnil skonštruovať meniče s možnosťou nezávislej voľby momentu zapnutia aj vypnutia výkonového ventilu. Vyššie spínacie frekvencie použiteľné pri tranzistoroch predurčujú takéto meniče na použitie šírkovo impulznej modulácie (PWM).

V oblasti napájania elektrických pohonov sú okrem riadených usmerňovačov, jednosmerných meničov a striedavých meničov najvýznamnejšie nepriame meniče frekvencie a napätia (VVVF) s napäťovým alebo prúdovým medziobvodom. Na vstupe takéhoto meniča je usmerňovač, na výstupe striedač. Spočiatku tieto meniče pracovali s obdĺžnikovým priebehom výstupného napätia, resp. prúdu, neskôr boli realizované viacúrovňové striedače. Nevýhodou týchto riešení bol veľký obsah vyšších harmonických, a teda priebeh obvodových veličín veľmi vzdialený od harmonického tvaru. Riešením je šírkovo impulzná modulácia simulujúca sínusový priebeh, ktorú objavili Arnold Schonung a Herbert Stemmler zo spoločnosti Brown Boveri v roku 1963.

Riadenie elektrických pohonov znamenalo tiež značný vývoj. Možnosť nezávislej regulácie frekvencie a napätia pomocou elektronického meniča sa s výhodou používa pri napájaní asynchrónnych aj synchrónnych motorov. Pevná závislosť napätia a frekvencia predstavuje základnú úroveň skalárneho riadenia. Nasledovala aplikácia vektorového riadenia (K. Hasse a F. Blaschke v r. 1968) a finálne priame riadenie momentu pomocou priestorového vektora magnetického poľa (Gerhard Pfaff, Alois Weschta a Albert Wick v r. 1982).

Obvodové riešenie VVVF meničov tiež prešlo vývojom; neriadený usmerňovač na vstupe meniča bol postupne nahradený riadeným usmerňovačom so šírkovo impulznou moduláciou (80. roky), čím sa zapojenie usmerňovača a striedača (s použitím IGBT modulov) stalo takmer identické. Uvedené spojenie umožňuje činnosť vo všetkých štyroch kvadrantoch voltampérovej charakteristiky, takže z hľadiska pohonu umožňuje rekuperáciu aj reverzáciu a zároveň celkový účinník na strane siete je blízky 1 v celom rozsahu regulácie.

Súčasné potreby premeny energie možno charakterizovať takto:

  • AC › DC – usmerňovače (rectifiers) sa používajú v priemysle ako nabíjačky akumulátorov, zdroje pri zváraní, elektrolýze, galvanizácii, v domácnosti v podobe zdrojov pre telekomunikačné zariadenia a spotrebnú elektroniku, v elektrickej trakcii pri napájaní trakčných sústav, na vozidlách závislej aj nezávislej trakcie, ďalej v energetike pri napájaní budenia synchrónnych generátorov alebo HVDC (High Voltage DC) prenosoch. Okrem toho sú integrálnou súčasťou nepriamych meničov, napríklad meniča napätia a frekvencie, ale tiež impulzných (spínaných) zdrojov.
  • DC › AC – striedače (inverters) našli svoje uplatnenie v zdrojoch neprerušovaného napájania (UPS), v drobných meničoch pre spotrebnú elektroniku (napríklad =12/~230 V). Signifikantné je priemyselné uplatnenie striedačov ako súčasti nepriamych meničov frekvencie pre regulačné pohony, ďalej tiež v elektrickej trakcii, v energetike pri pripájaní fotovoltických a veterných elektrární k distribučnej sieti a pri HVDC energetických prenosoch (jednosmerná spojka).
  • DC › DC – jednosmerné meniče (DC converters) možno nájsť v oblasti napájania DC zariadení; ich výkonové obvody sa nachádzajú tiež v impulzných (spínaných) zdrojoch, ale môžu byť aj súčasťou jednosmerných medziobvodov nepriamych meničov. Rozsiahlou oblasťou použitia jednosmerných meničov je regulácia jednosmerny´ch motorov v elektrickej trakcii, kde mnoho desiatok rokov predstavujú efektívnu alternatívu odporovej (stratovej) regulácie.
  • AC › AC – striedavé meniče (AC converters) predstavujú tiež veľmi rozšírenú skupinu elektronických meničov. Slúžia napríklad na reguláciu univerzálnych komutátorových motorov v priemysle – elektrického ručného náradia, napríklad vŕtačiek, karbobrúsok, ale aj v domácnosti pri regulácii osvetlenia, pohonov vysávačov, mixérov, kuchynských robotov. Zmenou efektívnej hodnoty napätia pomocou týchto meničov možno regulovať aj tepelné alebo chemické procesy. Nomenklatúrne sem treba zaradiť tiež nepriame meniče napätia a frekvencie, ktoré dnes dominujú vo všetkých oblastiach elektrických regulačných pohonov (aj elektrická trakcia, elektromobilita).

Aplikáciou elektronických a najmä polovodičových meničov došlo k signifikantnému nárastu účinnosti premeny energie, k zníženiu hmotnosti zariadení alebo tiež dosiahnutiu parametrov, ktoré nebolo elektromechanickými spôsobmi premeny možné hospodárne dosiahnuť. To umožnilo realizáciu nových procesov, napríklad indukčného ohrevu, kde je potrebný prúd s vysokou frekvenciou (v porovnaní s priemyselnou frekvenciou 50 Hz). Polovodičové elektronické meniče preto nielen v plnej miere nahrádzajú elektromechanické (napríklad Ward-Leonard) alebo elektrické (napríklad spínaný zdroj má dnes podstatne nižšiu hmotnosť aj cenu ako transformátor) premeny energie, ale uplatňujú sa aj na miestach, kde predtým nemohli byť hospodárne premeny energie uplatnené (napríklad osobné elektromobily).

Budúcnosť výkonovej elektroniky

V súčasnosti je a v blízkej budúcnosti bude možné sledovať ďalšie masívne nasadzovanie výkonovej elektroniky v každodennom živote. Elektrické regulačné pohony v minulosti realizované najmä pomocou jednosmerných strojov sú nahrádzané nielen asynchrónnymi motormi, ale perspektívne najmä synchrónnymi motormi s permanentnými magnetmi napájanými z VVVF meničov. Potreby energetiky sa dnes rozšírili: od meničov na napájanie budenia synchrónnych generátorov a meničov pre statické kompenzačné a filtračné zariadenia sa prechádza na širokú škálu meničov pre obnoviteľné zdroje energie reprezentované najmä fotovoltickými a veternými elektrárňami. Potreby Smart grid-u budú predstavovať ďalšie výzvy v oblasti vývoja požadovaných vlastností elektronických meničov. Nezanedbateľnou oblasťou aplikácie elektronických meničov sú tiež záložné zdroje (UPS), ktoré dnes okrem malých jednotiek na zálohovanie samostatných zariadení reprezentujú aj rozsiahle celky s výkonom rádovo niekoľko megawattov pre potreby elektrizačných sústav (TESLA Powerpack). Rastúce nároky na efektívnosť a ekológiu výroby a prevádzky budú motivačným faktorom v ďalšom vývoji polovodičov, ale aj nasadzovaní najmodernejších komponentov, ako sú superkondenzátory a superindukčnosti, ktoré otvárajú nové možnosti výkonovej elektroniky.

Záver

Výkonová elektronika je jedným z najprogresívnejších odborov elektrotechniky, v ktorom možno jasne ostatných vyše 100 rokov pozorovať vývojový trend. Táto problematika je natoľko komplexná, ako sme v krátkosti ukázali, že zasahuje do každej oblasti nášho života. Rozsah tohto príspevku preto len veľmi stručne poukazuje na základný historický rámec aplikácie výkonovej elektroniky v technickej praxi. Súčasný stav poznatkov vedy a techniky znateľne napreduje každým dňom, a preto dnes najmodernejšie objavy budú už zajtra predstavovať históriu.

Poďakovanie
Tento článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt Zvyšovanie energetickej bezpečnosti SR, ITMS 26220220077, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Literatúra

[1] BOSE, B. K. 2009. The Past, Present and Future of power electronics. In: IEEE Industrial Electron, Magazine 3, no. 2.

[2] OWEN, E. L. 1984. Power Electronics and Rotating Machines – Past, Present and Future. In: Proc. Power Electronics Specialists Conf.

[3] Firemné materiály ČKD Praha. 1960 – 1989. TESLA Rožnov, TESLA Piešťany.

[4] JAHNS, T. M. – OWEN, E. L. 2001. AC adjustable-speed drives at the millennium: How did we get here? In: IEEE Trans. Power Electronics 16, no. 1.

[5] KUJAN, V.: Prezentácie k prednáškam z predmetu pohony a výkonová elektronika a elektronické meniče energie. Bratislava 2013 – 2017.

[6] LEONHARD, W. 1996. Control of Electrical Drives. Springer-Verlag, New York.

[7] WILSON, T. J.: The Evolution of Power Electronics. In: Proc. Int. Symp. Industrial Electronics, Xian, China, May 1992, vol. 1.

[8] Webová stránka TESLA. [online]. Citované 7. 7. 2017. Dostupné na: https://www.tesla.com/blog/tesla-powerpack-enable-large-scale-sustainable-energy-south-australia?redirect=no.

   

Ing. Vladimír Kujan
vladimir.kujan@stuba.sk

Ing. Milan Perný, PhD.

Slovenská technická univerzita v Bratislave
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky
Ilkovičova 3, 81219 Bratislava