kraftelektronikk

Likerettar er eit apparat som gjer om elektrisk energi frå vekselspenning til likespenning. Det meste av elektrisk energi blir produsert som vekselstraum i roterande generatorar, men ein stor del av denne energien blir gjort om til likespenning. Bruksområdet er frå mindre effektar slik om ladarar for mobiltelefon, TV og anna forbrukarelektronikk, til dei største effektane som vi finn i samband med elektrolyse innan metallurgisk industri.

Vekselrettar er eit apparat som gjer om elektrisk energi frå likespenning til vekselspenning. Likestraum frå eit batteri kan dermed nyttast for å lage vekselspenning med regulerbar frekvens og spenning. Dette kan nyttast til å kontrollere elektriske motorar med varierande hastigheit i blant anna elbilar, elektriske skip, elfly og lokomotiv. Vekselrettaren kan også brukast til å overføre energi tilbake frå vekselstraum til likestraum, noko som blir kalla ein aktiv likerettar. Dersom dette er nytta til elektriske motordrifter, kan ein ta vare på bremseenergi i bilar og lokomotiv i det vi kallar ei regenerativ motordrift.

Dersom vekselrettaren blir satt til å lage ei fast spenning på 400/230 volt og 50 hertz, kan den enten koplast saman med det allmenne elektrisitetsnettet eller forsyne isolerte nett slik som mikronett. På denne måten kan energi frå solceller omformast til vekselspenning og bli tatt i bruk lokalt, eller bli levert som overskotsenergi til elektrisitetsnettet. Ved å kombinere dette med eit batteri, kan energi til og frå nettet bli styrt etter behov eller straumpris i eit smartnett. Med batteri som energilager, kan vekselrettaren inngå som ein komponent i ei avbrotsfri straumforsyning. Vekselrettaren er også nytta i samband med utanlandskablar for elkraft mellom Noreg, Danmark, Tyskland og Storbritannia som er basert på høgspent likestraum.

Likespenningsomformar er eit apparat som omformar likespenning frå eitt nivå til eit anna. For eksempel vil det i mykje elektronisk utstyr som for eksempel datamaskiner brukast fleire forskjellige likespenningsnivå. Her vil det frå ei felles likespenning brukast ein likespenningsomformar for å generere dei andre likespenningane. I solcelleanlegg blir likespenningsomformarar brukt etter solcellepanelet til å auke spenninga før vekselrettar, samt til å gi optimal produksjon. I elektrisk transport er det vanlig å bruke ein likespenningsomformar for å kontrollere opp- og utlading av batteriet.

Frekvensomformar er eit apparat som gjer om vekselspenning med éin frekvens til ei vekselspenning med ein annan frekvens og spenning (fast eller variabel). Dei er vanlegvis bygd opp ved å kople ein likerettar saman med ein vekselrettar med eit likestraums mellomledd. Vanlege bruksområde er hastigheitsstyring av asynkrone kortslutningsmotorar i for eksempel lokomotiv, elektriske pumper og vifter.

Vekselspenningsstyring er eit apparat som, med utgangspunkt i ei fast vekselspenning med gitt frekvens på inngangen, gir ei regulerbar vekselspenning med same frekvens på utgangen. Normalt vil det vere ei inngangsspenning på 230 volt, 50 hertz og ei utgangsspenning på 0–230 volt, 50 hertz. Typiske bruksområde er til dimming av lys og for å styre hastigheita på elektriske verktøy, for eksempel handboremaskin. Det same prinsippet er også brukt i mjukstartar, som reduserer spenninga ved start av asynkrone kortslutningsmotorar for å gi mindre startstraumar.

Den første kraftelektroniske brytaren var ein «mercury-arc rectifier», oppfunne i 1902 av den amerikanske elektroingeniøren Peter Cooper Hewitt (1861–1921), som oppdaga at eit kaldt katodegassrøyr med kvikksølv som katode og karbon som anode berre leia straum i ei retning. Dette var den første likerettaren som kunne handtere store effektar og var brukt til blant anna jernbane, radiosendarar, HVDC og til å forsyne Thomas Edison sine tidlege kraftnett basert på likestraum. Den siste HVDC-overføringa som nytta teknologien var mellom den nordlege og sørlege delen av New Zealand og vart demontert i 2012, men er framleis i bruk i enkelte sørafrikanske gruver. Andre røyrbaserte komponentar var exitron (einfasa), ignitron (einfasa med trigger) og thyratron (einfasa med trigger). Thyratron er framleis i bruk der det er krav om svært høg spenning, slik som i laser, pulserande radar, partikkelakseleratorar, Teslaspolar og TV-sendarar.

Den første transistoren basert på halvleiarmateriale vart oppfunnen i 1947 ved Bell Laboratories i New Jersey, men kunne berre handtere låge effektar og var ikkje brukbar som kraftelektronikk. Den første halvleiarkomponenten som kunne handtere store effektar var tyristoren, oppfunnen i 1956 ved Bell Laboratories og lansert kommersielt i 1958 av General Electric Company. Den første tyristoren kunne handtere ei spenning på 1000 volt og opptil fleire hundre ampere. Etter det kom dioden på midten av 1950-talet, og krafttransistorane (MOSFET og IGBT) på slutten av 1970-talet. Dette markerte for alvor starten på bruk av kraftelektronikk i stor skala, godt hjelpa av utviklinga innan stadig raskare, kompakte og billege mikrokontrollarar.

Nye halvleiarmateriale som SiC (silisiumkarbid) og GaN (galliumnitrid) blir utvikla for å komplimentere og til dels ta over for silisium. SiC er tatt i bruk for store effektar sidan den kan handtere større spenning og ved ein høgare temperatur samanlikna med silisium, der typiske bruksområde er vindtrubinar og jernbane. GaN er brukt for låge til moderate effektar der ein ynskjer høg verknadsgrad og høg koplingsfrekvens slik som i datasenter, datamaskiner og ulike typar straumforsyningar.