Предисловие

В учебном пособии рассмотрены теоретические основы разработки полупроводниковых и комбинированных аппаратов. Изложение указанных вопросов базируется на при­менении элементов и устройств, составляющих основу современ­ного полупроводникового аппаратостроения. Учебное пособие написано в полном соответствии с действующей учеб­ной программой и предназначено для студен­тов специальности 140601− Электромеханика, специализации «Электромеханика в горном производстве» по дисциплине «Электрические и электронные аппараты».

Основное внимание в учебном пособии уделе­но раскрытию физической сущности рассматриваемых вопросов и изложению их в доступной форме.

Интенсивное развитие силовой полупроводниковой техники определило появление целого ряда новых научно-технических направлений в развитии электротехнической промышленности. Появилась возможность создания коммутационных и защитных аппаратов с быстродействием и коммутационным ресурсом, недопустимых для традиционных электромеханических аппаратов.

В настоящем учебном пособии обобщен накопленный в стране и за рубежом опыт разработки полупроводниковых и комбинированных аппаратов.

1 Развитие полупроводникового 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.