1.3 Область 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 времени τ до 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.