Сосков А.Г. Полупроводниковые аппараты. Коммутация, управление, защита
Современные полупроводниковые аппараты, которые приходят на смену электрическим аппаратам. Для студентов вузов. Электрические и энергетические специальности, энергосбережение.
Скачать книгу Содержание
Предисловие
Полупроводниковые аппараты представляют новое направление в элек-троаппаратостроении. Его возникновение напрямую связано с начавшимся в последние десятилетия революционным развитием силовой электроники и микросхемотехники, позволившим, используя новые принципы построения электрических аппаратов на базе элементов указанной электронной техники, радикально улучшать коммутационную износостойкость и быстродействие вновь создаваемых аппаратов, а также расширять их функциональные возможности. Динамичному продвижению полупроводниковых аппаратов способствовал общий прогресс в технике, предъявляющий к электрическим аппаратам высокие требования, которые становится все сложнее решать на базе традиционных принципов их построения.
Необходимо особо подчеркнуть, что Украина была ведущей в СССР в области создания полупроводниковых аппаратов. Здесь в институте "ВНИИЭлектроаппарат” (г. Харьков) и на предприятии НПО “ХЭМЗ”, были впервые разработаны при непосредственном участии авторов этой книги унифицированные полупроводниковые реле защиты, бесконтактные и гибридные контакторы и выключатели переменного и постоянного тока, а также созданы на их основе высоконадежные автоматизированные комплектные устройства различного назначения. Именно поэтому в Национальном техническом университете “Харьковский политехнический институт”, начиная с 1977 г. для более качественной подготовки инженеров по специальности "Электрические аппараты” был введен новый курс “Полупроводниковые аппараты”, который читал с 1977 г. по 1981 г. один из авторов этой книги (Сосков А.Г.). В настоящее время этот курс после неоднократных изменений называется “Бесконтактные электрические аппараты” и является базовым для подготовки специалистов и магистров по специальности “Электрические машины и аппараты” направления “Электромеханика”. К сожалению, отсутствие учебника по данному курсу затрудняет их подготовку с учетом современных достижений науки и техники.
Создавая учебник в соответствии с программой, мы основное внимание уделили описанию и раскрытию общего, значимого для большинства аппаратов рассматриваемого класса. При этом мы старались, чтобы материал книги максимально базировался на конкретных результатах работы ведущих предприятий нашей страны и зарубежных стран в области создания полупроводниковых аппаратов. В итоге, по нашему мнению, объем изложенной в ней информации соответствует реальным возможностям студентов, изучающих данный курс, а ее содержание позволяет получить достаточно глубокие и разносторонние знания. Мы несколько изменили название учебника по сравнению с наименованием учебного курса, для которого он предназначен, так как считаем, что такое название полнее отражает сущность нового направления в аппаратостроении.
Учитывая ту роль, которую полупроводниковые аппараты начинают играть в современных системах электропотребления и распределения электрической энергии благодаря своим прекрасным эксплуатационным характеристикам, предлагаемый учебник может быть также полезен при общетехнической подготовке специалистов в учебных заведениях II-IV уровней аккредитации по направлениям "Электротехника” и “Электромеханика”. Мы надеемся, что содержание учебника и форма его изложения позволят успешно решать эту задачу.
Настоящий курс тесно связан с электротехническими дисциплинами, изучаемыми в вузе, и является продолжением общего курса “Электрические аппараты”. Он базируется на курсах высшей математики, физики, теоретических основ электротехники, электрических измерений, электроники и микросхемотехники.
В результате изучения материала учебника студенты должны понять основные принципы построения бесконтактных и гибридных полупроводниковых аппаратов, знать их возможности и области рационального применения, научиться рассчитывать основные электромагнитные и тепловые процессы, протекающие в этих аппаратах, уметь формулировать задание на их разработку и квалифицированно проектировать простейшие из них, а также граммотно эксплуатировать эти изделия.
Авторы выражают благодарность и глубокую признательность рецензентам книги — заведующему кафедрой “Электрические аппараты” Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”, докт. техн. наук, проф. Б.В. Клименко и проф. кафедры “Энергоустановки и двигатели космических летательных аппаратов” Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт” докт. техн. наук, проф. А.И. Яковлеву, содержательные и заинтересованные отзывы которых поддержали авторов в их работе и помогли четче выявить направленность книги.
Предисловие, введение, заключение, разделы 6-8 написаны докт. техн. наук, проф. А.Г. Сосковым, разделы 1-5 — докт. техн. наук, проф. А.Г. Сосковым и канд. техн. наук, доц. И.А. Сосковой.
Введение
Электрические аппараты составляют основу комплектных устройств, предназначенных для приема, регулирования и распределения потоков электрической энергии и информации. Учитывая ту ключевую роль, которую играют электрические аппараты в этих процессах, к качеству их работы предъявляются высокие требования. В условиях все нарастающего технического прогресса классические электромеханические или контактные аппараты (КА) не всегда в состоянии удовлетворить этим постоянно растущим жестким требованиям.
Интенсивное развитие силовой электроники в последние десятилетия, результатом которого явилось создание относительно недорогих силовых электронных ключей, способных коммутировать с высокой частотой потоки мощности до нескольких мегаватт, а также внедрение в схемотехнику интегральных схем и микропроцессорных устройств создали благоприятные условия для кардинального повышения качества электрических аппаратов путем использования при их построении элементов электронной техники. В последнее время этот процесс приобрел ускоренный характер в связи с тем, что традиционные способы повышения качества КА, особенно их коммутационной и механической износостойкости, все больше исчерпывают себя, а результаты прогресса в силовой электроники становятся все более впечатляющими. Последнее относится в первую очередь к силовым полупроводниковым приборам (однооперационным и двухоперационным тиристорам, оптронным тиристорам, мощным биполярным транзисторам с изолированным затвором и IGCT-тиристорам), которые сегодня в состоянии коммутировать токи в электрических цепях от сотен ампер до нескольких тысяч при рабочих напряжениях в сотни и тысячи вольт и мощности управления, измеряемой всего лишь единицами ватт.
Применение силовых полупроводниковых приборов (СПП) в аппарато-строении с использованием для их управления элементов микросхемотехники позволило на основе новых принципов построения аппаратов улучшить многие параметры вновь созданных устройств, в том числе повысить многократно коммутационную износостойкость и быстродействие, а также существенно расширить их функциональные возможности. Эти устройства в отличие от электромеханических аппаратов начали с 70-х годов прошлого столетия называться полупроводниковыми аппаратами (ПА).
Можно считать, что в Украине начало развития ПА положили полупроводниковые расцепители для автоматических выключателей серии А3700, которые были разработаны институтом "ВНИИЭлектроаппарат" (г. Харьков) в середине 60-х годов. Полупроводниковые расцепители позволили не только существенно улучшить качество защитных характеристик выключателей, но и, что особенно важно, поднять их предельную коммутационную способность до уровня, которого было невозможно достичь при использовании традиционных биметаллических расцепителей. Несколько позже в институте ВННИР (г. Чебоксары) была разработана целая гамма различных типов полупроводниковых реле защиты. Таким образом, в СССР появились первые образцы слаботочных ПА. Примерно в таком направлении с опережением в два - три года проходило развитие ПА и в США, где также были сначала созданы слабо-точные полупроводниковые реле, в том числе полупроводниковые расцепители.
Создание в СССР мощных полупроводниковых диодов и однооперационных тиристоров и начавшееся с середины 60-х годов их массовое производство дало толчок к использованию этих приборов в силовых коммутационных аппаратах управления и защиты (контакторах, пускателях, выключателях). Применение в них для бездуговой коммутации электрической цепи в качестве основного силового элемента электронного ключа (ЭК), выполненного на базе указанных СПП, дало возможность не только кардинально повысить износостойкость и быстродействие новых аппаратов, но и осуществлять более сложные процессы управления, чем операция “включено— выключено”, выполняемая КА, при одновременном улучшении качества защиты электрооборудования. Это создало благоприятные условия в различных отраслях промышленности для получения значительного экономического эффекта за счет оптимизации технологических процессов. Примером таких силовых бесконтактных ПА были разработанные во ВНИИ Электроаппарат в середине 70-х годов тиристорные выключатели переменного и постоянного тока серий ВА81 и ВА83 на номинальные токи до 1000 А, имеющие высокую износостойкость и обеспечивающие высокий уровень токоограничения при отключении короткого замыкания в нагрузке, недостижимые для КА. Однако бесконтактные ЭК в то время существенно уступали традиционным механическим ключам по габаритам и стоимости, перегрузочной способности по току и напряжению. Потери электрической мощности в их цепи во включенном состоянии также на порядок превосходили аналогичные потери в классической контактной цепи. Все сказанное, естественно, ограничивало области рационального применения бесконтактных ПА, выполненных на их основе. Стремление объединить в одном устройстве положительные качества как КА (малые потери мощности во включенном состоянии), так и бесконтактных (без-дуговая коммутация цепи) привело к созданию гибридных ПА. У этих аппаратов параллельно главным контактам подключен электронный ключ, обеспечивающий бездуговую коммутацию размыкающихся контактов. Во включенном состоянии аппарата электронный ключ шунтирован цепью главных контактов.
Созданные в 70-х годах во ВНИИ Электроаппарат гибридные контакторы переменного тока серий КТП64 и КТ64 и постоянного тока серии КТП81 на номинальные токи до 630 А и номинальные напряжения до 660 В успешно эксплуатировались в тяжелых режимах работы (высокая частота включений, включение и отключение заторможенных электродвигателей и т.п.), при этом потребность в этих аппаратах достигла 10% от общего объема выпуска контакторов и пускателей.
В 80-х годах начался новый этап в развитии силовой электроники, связанный с созданием мощных полностью управляемых полупроводниковых приборов (двухоперационных тиристоров, мощных биполярных транзисторов и особенно силовых IGCT-тиристоров и IGBT-транзисторов). Высокий уровень электронных технологий позволил организовать массовое производство этих приборов в виде интегральных модулей компактных конструкций. Объединение в одном корпусе силовых приборов и элементов микросхемотехники с различной степенью интеграции создало благоприятные условия для простой реализации различных законов управления электрическими потоками, включая формирование сигналов для защиты и диагностики. Такие модули получили название "интеллектуальных”. Одновременно были созданы мощные однооперационные тиристоры, способные выдерживать кратковременные токовые перегрузки в несколько десятков килоампер. Все это позволило проектировать ПА управления, защиты и регулирования переменного и постоянного тока с улучшенными технико-экономическими показателями, создавая таким образом предпосылки для более широкого их использования. Высокие технико-экономические показатели ПА, гибкость их регулировочных характеристик, возможность сочетать в одном устройстве функции различных аппаратов, удобство их сопряжения с элементами автоматики и микропроцессорной техники, в свою очередь, создали благоприятные условия для разработки на основе этих аппаратов автоматизированных низковольтных комплектных устройств (НКУ), отвечающих самым высоким требованиям современного энергонасыщенного производства. Примером таких комплектных устройств являются, например, созданные в НПО “ХЭМЗ” системы “мягкого” пуска асинхронных двигателей, а также быстродействующие устройства автоматического ввода резерва.
Большой вклад в развитие ПА, а также в создание основ их теории внесли следующие известные ученые и специалисты промышленности: Дзюбан В. С., Кукеков Г. А., Мицкевич Г. Ф., Могилевский Г. В., Намитоков К. К., Райнин В. Е., Розанов Ю. К., Сосков А. Г., Таев И. С. и др.
Таким образом, как бесконтактные, так и гибридные полупроводниковые аппараты являются новым и динамично развивающимся классом в современном аппаратостроении. Конкурентоспособность ПА на мировом рынке электрических аппаратов постоянно растет, что обусловлено достижениями в силовой электронике и все возрастающими требованиями современных систем электропотребления к качеству электрических аппаратов. В этой связи современный специалист в области электротехники и электромеханики должен знать основные принципы построения и проектирования этих аппаратов, а также уметь квалифицированно их эксплуатировать.
