Электроаппаратостроения

1.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ

Полупроводниковые электрические аппараты (ПЭА) представляют собой одно из развивающихся направлений в электроаппаратостроении, которое базируется на современных достижениях в области силовых полупроводни­ковых приборов (СПП), радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики. Принцип действия этих аппаратов основан на использовании ключевых ха­рактеристик СПП, т.е. способности их находиться в двух устойчивых со­стояниях (проводящем и непроводящем) и быстро переходить из одного со­стояния в другое по команде или параметрически. В последнем случае изме­нение состояния происходит при равенстве токов или напряжений на СПП пороговым для них значениям.

Присущие ПЭА особенности и функциональные возможности обусловлены характеристиками СПП, которые составляют основу главных и вспомога­тельных цепей аппаратов. К наиболее важным характеристикам СПП следует отнести способность осуществления без дуговой коммутации электрических цепей, высокие быстродействие и надежность, повышенный срок службы. Именно эти свойства и достигнутый высокий уровень параметров СПП по току и напряжению определили целесообразность создания не только слабо­точных, но и сильноточных ПЭА различного назначения.

Общие для полупроводниковых аппаратов особенности можно выделить при непосредственном их сравнении с традиционными контактными аппаратами. Полупроводниковые аппараты являются статическими устройствами. В них отсутствуют подвижные части, включая размыкаемые контакты и детали механизмов. Бездуговая коммутация тока в цепи осуществляется за счет рез­кого изменения сопротивления коммутационных элементов (тиристоры, ди­оды, транзисторы и др.) от тысячных долей Ома до сотен кОм. В резуль­тате в ПЭА исключены многие нежелательные явления, характерные для контактных аппаратов: механический износ контактов и других подвижных частей, вибрация, обгорание и сваривание контактов, повышенный шум при коммутационных операциях и выброс раскаленных газов.

Типичное время срабатывания контактных аппаратов, десятые, сотые доли секунды; частота срабатываний ограничивается инерционностью подвижных систем, разогревом размыкаемых контактов и временем деионизации межконтактных промежутков до нескольких тысяч в час. Максимальное время включения полупроводниковых аппаратов не превышает 50 мкс.

Время отключения ПЭА переменного тока без применения специальных схем принудительной (искусственной) коммутации не более длительности полупериода тока, т.е. 10 мс при промышленной частоте. Аппараты на основе специальных тиристоров серии ТЧ способны работать в цепях с частотой источника питания до 30 кГц. Время отключения при этом составляет десятки микросекунд. Снабженные блоком искусственной коммутации или выполненные на запираемых тиристорах, ПЭА обеспечивают отключение цепей за время 0,5 − 2 мс при f = 50 Гц. Возможности ПЭА по частоте срабатывания (десятки и даже сотни тысяч в час) можно считать неограниченными, так как они намного превышают потребности в этом.

Важным свойством полупроводниковых аппаратов является многофункциональность. Без изменения структуры силовой части они способны совмещать в себе функции коммутирования и быстродействующей защиты цепей, регулирования напряжения и тока, формирования импульсов напряжения и тока с заданными параметрами.

К другим особенностям ПЭА следует отнести практически мгновенную готовность к срабатыванию, в том числе и при автоматическом повторном включении (АПВ), стабильность характеристик при эксплуатации в сложных климатических условиях и при воздействии механических факторов, возможность использования в сетях различного назначения при замене СПП на другие типы или при изменении класса их по напряжению, технологичность конструкции, высокую надежность, практически не зависит от обслуживания.

В приведенном сравнении акцентированы только те характеристики, которые определяют преимущества полупроводниковых аппаратов. Но эти аппараты не лишены и недостатков. Причем в некоторых случаях эти недостатки проявляются на столько существенно, что целесообразность разработки и использования ПЭЛ становится не безусловной. Поэтому рассмотрим их более подробно.

1. В отличие от контактных аппаратов полупроводниковые аппараты способны выдерживать значительно меньшие перегрузки по току (как по амплитуде тока, так и по длительности его воздействия). Это объясняется малой теплоемкостью кремниевых структур СПП, толщина которых, как правило, не превышает 1 мм. В настоящее время отечественная промышленность выпускает низкочастотные тиристоры и диоды с предельным средним током IП до 1250 и 1600 А соответственно. Без ухудшения характеристик по напряжению они допускают трех-четырехкратную перегрузку в течение одного полупериода синусоидального тока частотой 50 Гц при отсутствии предварительной нагрузки.

Например, тиристор Т253-1000 на средний ток (амплитудное значение ) при исходной температуре структуры 25°С выдерживает однополупериодный ток с амплитудой . С увеличением предварительной нагрузки или длительности воздействия перегрузки значения выдерживаемых СПП токов быстро уменьшаются. В частности, для того же тиристора Т253-1000 амплитуда тока перегрузки длительностью

10 мс снижается до 5 кА при значении тока предварительной нагрузки, равном 400А (40% от IП). Такая же перегрузка допустима при увеличении длительности ее воздействия до 0,1с. Для сравнения отметим, что контактные аппараты выдерживают десятикратные перегрузки по отношению к длительно протекающему номинальному току в течение нескольких секунд.

Принципиально возможно достижение подобной перегрузочной способности и в ПЭА, за счет использования СПП, с заведомо большими предельными токами или параллельного их соединения. Но это приводит к значительному увеличению габаритных размеров, массы и стоимости аппаратов, особенно, если они предназначены для работы в сетях высокого напряжения.

2. Полупроводниковые аппараты очень чувствительны даже к кратковременным перенапряжениям и скорости приложения напряжения. Поэтому необходимо принимать меры, обеспечивающие надежную защиту полупроводниковых блоков от коммутационных и внешних перенапряжений. В большинстве случаев это связано с применением приборов более высокого класса, резервированием их, введением в конструкцию аппарата специальных элементов защиты: демпфирующих RС -цепей, полупроводниковых или оксидно-цинковых ограничителей перенапряжений. Как и при обеспечении защиты от сверхтоков, любое из названных решений усложняет конструкцию аппарата, повышает его стоимость.

3. Существенным недостатком ПЭА являются большие потери электрической энергии и как следствие − выделение большого количества теплоты. В основном, потери сосредоточены в зоне структур СПП. Они обусловлены физическими процессами в РN- переходах, протекание которых сопровождается падением напряжения в несколько единиц вольт. Уменьшить потери внешними средствами не представляется возможным, поэтому необходимо обеспечивать интенсивный теплообмен СПП с окружающей средой. Обычно это достигается при снабжении приборов специальными охладителями и применении принудительного воздушного или водяного охлаждения.

4. К другим недостаткам полупроводниковых аппаратов относятся существование граничных токов, ниже которых невозможно удержание во включенном состоянии, и наличие достаточно больших (десятки миллиампер) токов утечки при отключенном состоянии, для обеспечения полного разрыва цепи последовательно с ПЭА необходимо устанавливать контактные устройства.

Приведенные сведения о полупроводниковых аппаратах носят общий характер. Но они позволяют оценить как уникальность свойств ПЭЛ, так и весомость факторов, ограничивающих их использование. В частности, из них можно заключить, что превалирующее значение из ограничительных факторов имеют высокие массогабаритные показатели и стоимость таких аппаратов.

Преимущества использования СПП для целей коммутации электрических цепей на более высоком уровне реализованы в комбинированных контактно-полупроводниковых аппаратах (КПА). В этих аппаратах полупроводниковые цепи в различных комбинациях подсоединяются параллельно размыкаемым контактам и работают только в интервалах времени, когда происходит изменение коммутационного положения. В результате обеспечивается сокращение длительности горения электрической дуги на контактах и, следовательно, повышение их износостойкости. Вместе с тем кратковременное протекание тока через СПП, не превышающее обычно длительности полупериода, позволяет максимально использовать их перегрузочную способность в импульсном режиме. Важно, что при этом отпадает необходимость не только в принудительном охлаждении приборов, но и в охладителях.

Таким образом, по существу, механическое совмещение в одном устройстве двух типов аппаратов дает возможность эффективно использовать их преимущества и ослабить (или даже исключить) проявление недостатков. Поэтому при небольшом увеличении массы и габаритных размеров, по отношению к базовым контактным аппаратам, КПА присущи такие характеристики, как быстродействие при включении, повышенные коммутационный ресурс и частота срабатывания, малые потери электрической энергии при длительном протекании номинального тока, высокая коммутационная способность, для комбинированных аппаратов низкого напряжения характерным является также относительно низкая стоимость, так как в них содержится небольшое число СПП.

1.2 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ И ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ ТРЕБОВАНИЯ

На основе СПП могут быть выполнены коммутационные и защитные аппараты постоянного и переменного тока низкого и высокого напряжения в широком диапазоне изменения номинальных токов и напряжений. Поэтому в самом общем виде их можно классифицировать по тем же признакам, что и электромеханические аппараты: по назначению, роду тока, номинальному напряжению, конструктивным особенностям и др. Для того чтобы подчеркнуть универсальность применения в многообразие вариантов исполнения полупроводниковых и комбинированных аппаратов, приведем разделение их на виды по принципу действия.

1.2.1 Аппараты с естественной коммутацией. Эти аппараты предназначены для работы в сетях переменного тока. Отключение их осуществляется за счет изменения полярности напряжения источника питания, в результате чего к тиристорам прикладывается обратное напряжение и они включаются. В технической литературе этот способ называется еще сетевой коммутацией. Важно, что его осуществление не требует каких-либо дополнительных схемных или других решений, кроме необходимости блокировать поступление управляющих сигналов на входы тиристоров. Принцип естественной коммутации используется во всех полупроводниковых в комбинированных аппаратах переменного тока: контакторах, пускателях, переключателях, выключателях нагрузки и выключателях при оперативном отключении номинальных токов.

1.2.2 Аппараты с искусственной коммутацией. Процесс отключения этих аппаратов тоже связан с изменением знака напряжения на СПП и поддержанием сигнала обратного смещения на время, достаточное для их выключения. Но в данном случае это достигается вспомогательными схемными средствами, с помощью которых обеспечивается снижение вводного тока в СПП до нуля. В сильноточных аппаратах применяется в основном емкостная искусственная коммутация в различных вариантах.

Все реализующие этот способ схемы содержат конденсатор, ток разрядки которого протекает в процессе отключения аппарата встречно анодному коммутируемому току в тиристорах. В группу аппаратов, где используется искусственная коммутация, входят все аппараты постоянного тока и защитные полупроводниковые аппараты переменного тока. К последним относятся выключатели низкого и высокого напряжения, аппараты устройств автоматического включения резерва (АВР).

1.2.3 Комбинированные аппараты. Особенность комбинированных аппаратов состоит в том, что процесс отключения их протекает в два этапа. В течение первого этапа за счет схемных средств или воздействия на электрическую дугу осуществляется принудительный переход тока из контактной цепи в параллельно соединенную с ней полупроводниковую цепь. На втором этапе происходит прерывание тока полупроводниковой частью аппарата с использованием, как правило, принципа естественной коммутации.

По аналогии с электромеханическими аппаратами комбинированные аппараты разделяются на синхронные и несинхронные, в зависимости от режима размыкания контактной цепи: в определенном интервале времени перед нулем тока или в любой момент времени.

1.2.4 Аппараты с фазовым регулированием. К этой группе относятся аппараты переменного тока с естественной и искусственной коммутацией, выполняющие дополнительно функцию регулирования выходной мощности. Силовые части аппаратов с фазовым регулированием и без регулирования не имеют различий. Режим регулирования обеспечивается системой управления, с помощью которой осуществляется задержка включения тиристоров на заданный угол по отношению к нулю тока.

В приведенной классификации не выделены в отдельную группу полупроводниковые аппараты на запираемых тиристорах. По характеру протекающих процессов при отключении они аналогичны ПЭА с искусственной коммутацией. Поэтому их следует рассматривать в составе этой группы, хотя внешний коммутирующий контур значительно меньшей мощности воздействует на анодную цепь тиристоров не непосредственно, а через управляющую цепь.

Рисунок 1.1 − Классификации схем полупроводниковых

аппаратов

Для наглядности на рисунке 1.1 рассмотренная классификация представлена в виде схемы на примере аппаратов переменного тока.

Кроме тех особенностей, которые рассмотрены выше, классификационная схема раскрывает возможность создания одинаковых по назначению аппаратов с использованием различных принципов действия. Например, контакторы или пускатели в зависимости от конкретных условий работы и требований к характеристикам могут быть выполнены, как комбинированные аппараты, тиристорные (полупроводниковые) аппараты с естественной коммутацией, тиристорные аппараты с естественной коммутацией и фазовым регулированием.

Несмотря на ряд принципиальных особенностей, полупроводниковые и комбинированные аппараты являются одним из видов электрических аппаратов и поэтому должны удовлетворять всем требованиям, которые к ним предъявляются. Конкретные требования определяются функциональным назначением аппаратов и условиями их эксплуатации.

Но существует и ряд общих требований, регламентированных государственными стандартами. Так, по номинальным токам и напряжениям все аппараты должны удовлетворять требованиям ГОСТ 6827-76 и ГОСТ 23366-78 соответственно, по степени защиты − ГОСТ 14254-80. Требования к электрическим коммутационным аппаратам на напряжение свыше 1000 В регламентируются ГОСТ 687-78. Все без исключения аппараты должны иметь по возможности малые габариты, массу и стоимость. Они должны также обладать высокой надежностью и не требовать больших затрат на обслуживание в процессе эксплуатации.

Вместе с тем, чувствительность полупроводниковых аппаратов даже к кратковременным перегрузкам по току и напряжению, особенности управления силовыми блоками и их охлаждения, обязывают учитывать при проектировании ряд специфических требований.

К наиболее важным из них относятся следующие: обеспечение быстродействующей защиты СПП от перенапряжений, токов перегрузки и короткого замыкания, ограничение до допустимых значений скорости нарастания прямого напряжения; ограничение скорости нарастания тока при включении СПП; обеспечение оптимальных параметров управляющих импульсов; обеспечение оптимальных условий охлаждения полупроводниковых приборов.

Выполнение перечисленных требований позволяет реализовать те преимущества полупроводниковых и комбинированных аппаратов, которые были рассмотрены, и обеспечить высокий уровень надежности их при общем сроке службы более 10 лет. При этом коммутационный ресурс может быть доведен до 10⁷ циклов и более.

1.3ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ АППАРАТОВ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ РАЗВИТИЯ

Ориентировочный диапазон токов и напряжений, характеризующий коммутационную способность полупроводниковых и комбинированных аппаратов различного вида, представлен на рисунке 1.2.

Выделенные области 1 − 4 отражают соответственно коммутационную способность тиристорных выключателей с естественной коммутацией, тиристорных короткозамыкателей, комбинированных выключателей и тиристорных выключателей с искусственной коммутацией. Для сравнения на рисунке нанесены области 5 и 6, которые соответствуют отключающей способности вакуумных выключателей в одного разрыва элегазовых выключателей с автокомпрессионным дугогашением. Эти выключатели, так же как и полупроводниковые, получили интенсивное развитие в последнее десятилетие.

Отметим, что по прогнозам многих специалистов отключающую способность полупроводниковых аппаратов предполагалось довести еще в 80-е годы до значений, ограниченных заштрихованной на рисунке 1.2 областью. При этом не были учтены возможности освоения тиристорных короткозамыкателей (ТКЗ) шунтового типа комбинированных аппаратов, обладающих высокой коммутационной способностью. Существенно выше прогнозируемой достигнута отключающая способность у тиристорных выключателей с естественной коммутацией (ТВЕК), которые в настоящее время находятся в опытной эксплуатации в нашей стране и за рубежом (область 1 на рисунке 1.2). Что касается тиристорных выключателей с искусственной коммутацией (ТВИК), предназначенных для работы в распределительных устройствах на напряжение 6 и 10 кВ, то они способны выполнять свои функции в сетях с витающими трансформаторами любой мощности. Отключающей способностью по току они не характеризуются, так как работают в режиме глубокого токоограничения (область 4 на рисунке 1.2).

Конкретные применения полупроводниковых аппаратов низкого и высокого напряжения рассмотрены соответственно в гл.3 и 4. Здесь укажем общие области, в которых их преимущества реализуются наиболее полно.

Рисунок 1.2 − Области отключающей способности

коммутационных аппаратов

В качестве контакторов, пускателей и переключателей ПЭА нашли широкое применение в электроприводе. Быстродействие их и возможность осуществления фазового регулирования обеспечивают создание полностью автоматизированного электропривода с управляемыми по заданной программе пуском, частотой вращения, электродинамическим торможением, и реверсированием асинхронных электродвигателей с короткозамкнутыми и фазными роторами. Важно, что ПЭА способны выполнять свои функции не только в сложных климатических условиях, но и удовлетворяют требованиям, которые предъявляются к электрооборудованию в условиях повышенной агрессивности среды и взрывоопасности.

Это обусловило применение полупроводниковых аппаратов в металлургической, горнодобывающей и текстильной промышленности, в станкостроении, в химической промышленности и сельском хозяйстве.

Совмещение функций бесконтактного коммутирования цепей и регулирование напряжения и тока в ПЭА определило широкие возможности их применения для управления сварочным электрооборудованием, электрическими печами переменного тока, для переключения секций силовых трансформаторов под нагрузкой, для плавного подключения конденсаторных батарей, источников реактивной мощности, к питающей сети для управления устройствами компенсации, реактивного сопротивления в сетях.

Эффективность использования ПЭА в указанных областях выражается в повышении производительности, долговечности и КПД управляемого оборудования, в улучшении качества продукции, сокращении эксплуатационных расходов и др. Так использование полупроводниковых аппаратов в качестве переключателей секций силовых трансформаторов позволяет осуществлять переход с одной отпайки на другую в момент перехода тока через нуль.

В результате становится возможным отказ от традиционно используемых переходных резисторов или реакторов, исключается возникновение переходных процессов и перенапряжений. При этом повышаются коэффициент мощности, КПД и срок службы оборудования, улучшаются параметры качества электроэнергии.

Сверхбыстродействующие аппараты с искусственной коммутацией, обладающие высокой токоограничивающей способностью, используются в фидерных цепях в качестве автоматических выключателей для защиты ответственных энергопотребителей, а также для обеспечения многоступенчатой селективной защиты сетей. Опыт эксплуатации таких выключателей показывает, что максимальное время перерыва питания при трехступенчатой защите не превышает 0,1с. При использовании для этих целей контактных выключателей оно составляет 0,3 − 0,4 с.

В результате повышения быстродействия защиты обеспечивается снижение уровня колебаний напряжения, появляется возможность уменьшения реактивности сети, ускорения действий систем АВР. С наибольшей эффективностью ТВИК используются в сетях горнодобывающей, химической и нефтехимической промышленности, в системах питания крупных вычислительных центров, где даже кратковременные перерывы питания связаны с большим ущербом.

Области применения комбинированных аппаратов определяются прежде всего высоким коммутационным ресурсом. В сетях низкого напряжения они используются в качестве контакторов наиболее тяжелой категории применения. Для контакторов переменного тока такими категориями являются АС-3 и АС- 4. Им соответствуют прямой пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором, отключение неподвижных или медленно вращающихся двигателей, торможение противотоком. Нормальным коммутационным режимом для контакторов категории применения АС - 4 является включение и отключение токов до 6 при номинальных рабочих напряжениях и cos φ = 0,35 режимах редких коммутаций они должны обеспечивать включение и отключение токов, равных 10 Номинальный рабочий ток выбирается меньшим номинального тока.

Для контакторов постоянного тока наиболее тяжелыми категориями применения являются категории ДС- 4 и ДС-5, которым соответствуют режимы управления электродвигателями с последовательным возбуждением: пуск и отключение вращающихся двигателей, отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей, торможение противотоком. В режиме нормальных коммутаций контакторы категории применения ДС-5 должны включать и отключать цепи с током до 2,5 при номинальном рабочем напряжении и постоянной времениτдо 10 мс.

В режиме редких коммутаций ток включения и отключения контактора увеличивается до 4 при 1,1 и τ = 15 мс.

Опыт проектирования и эксплуатации комбинированных контакторов показывает, что их массогабаритные показатели на 30 − 40 % ниже, чем у контакторов традиционного исполнения. Достигается это за счет уменьшения междуполюсного расстояния и зазора контактов, исключения резервных дугогасительных камер и форсировки катушек электромагнитных приводов.

Комбинированные аппараты высокого напряжения, которые характеризуются, как и комбинированные контакторы, высоким ресурсом и коммутационной способностью, предназначены в основном для электрических цепей с повышенным числом коммутаций. В качестве выключателей нагрузки и силовых выключателей они могут быть использованы для управления электродуговыми печами, трансформаторами собственных нужд на электростанциях, накопителями энергии, испытательными станциями, энергосистемами горнодобывающей промышленности.

Область применения полупроводниковых и комбинированных аппаратов постоянно расширяется. Этому способствуют, прежде всего, достижения в полупроводниковом приборостроении. За последние годы отечественная промышленность освоила массовый выпуск силовых диодов и тиристоров с более высокими значениями предельных токов и напряжений. Уровень токов для тиристоров и диодов доведен соответственно до 1250 и 2000 А.

Повторяющееся напряжение и у тиристоров и у диодов повышено до 4 кВ. Значительно улучшены динамические характеристики приборов: быстродействие при включении - выключении, допустимая скорость приложения напряжения в прямом закрытом состоянии и допустимая скорость нарастания тока при включении.

Лучшие образцы тиристоров (Т253-1250,Т173-1250,ТБ253-1000) допускают приложение напряжения со скоростью 1000 − 2500 В/мкс. Важно, что вместе со значительным улучшением характеристик стоимость СПП продолжает снижаться.

Большое значение для развития полупроводникового аппаратостроения имеет освоение промышленностью целого ряда СПП с принципиально новыми возможностями: запираемых тиристоров (ТЗ), тиристоров с комбинированным выключением серии ТБК, тиристоров-диодов ТДЧ, мощных высоковольтных транзисторов и др. Запираемые по управляющему электроду и комбинировано выключаемые тиристоры позволяют создавать защитные аппараты с высоким быстродействием при значительно меньших массогабаритных показателях по сравнению с аппаратами с емкостной искусственной коммутацией тиристоров общего назначения.

Важным для развития полупроводниковых аппаратов является совершенствование фотоуправляемых приборов и модулей. Достигнутый к настоящему времени уровень предельных параметров по току и напряжению фототиристоров и фотодиодов сравним с параметрами приборов обычного исполнения. Применение таких приборов позволяет легко осуществить гальваническую развязку управляющих и силовых цепей полупроводниковых аппаратов, упростить их конструкцию и повысить надежность. Особенно перспективным представляется применение фотоуправляемых приборов в коммутационных и защитных аппаратах высокого напряжения.

Отмечая общую тенденцию интенсивного развития аппаратостроения на основе СПП, следует обратить внимание на особенности их проектирования. Тиристоры или другие полупроводниковые приборы составляют основу силовой схемы любого аппарата. Они определяют функциональные возможности, надежность и долговечность аппарата.

Вместе с тем довольно простые внешние очертания в монолитность конструкции СПП часто проводят к недооценке сложности физических процессов, протекающих в многослойной структуре полупроводникового прибора, и потенциального многообразия возможных применений СПП. Разработчик аппаратуры всегда должен представлять внутреннее устройство того или иного прибора, особенности конструктивного исполнения и технологии изготовления основных элементов, влияние различных факторов, в том числе и конструктивных, на характеристики и параметры СПП.