2.8 Напівпровідникові електричні апарати

Інтенсивний розвиток силової напівпровідникової техніки обумовив нові зміни в галузі електроапаратобудування. З'явилась можливість створення комутаційних та захисних апаратів з швидкодією та комутаційним ресурсом, недоступним для традиційних електромеханічних апаратів.

Принцип дії напівпровідникових електричних апаратів (НПЕА) оснований на використанні ключових характеристик силових напівпровідникових приладів. На їх основі розроблені контактори, пускачі, перемикачі, вимикачі навантаження високої та низької напруги, апарати пристроїв автоматичного вмикання резерву (АВР), комбіновані апарати, регулятори потужності та напруги і т. д.

У порівнянні з традиційними контактними апаратами напівпровідникові апарати мають ряд суттєвих переваг:

1. Напівпровідникові апарати є статичними апаратами. В них відсутні рухомі частини. Тому комутація в них бездугова, у зв'язку з чим відсутні такі небажані явища як механічне спрацювання контактів та інших рухомих частин, вібрація, обгоряння і зварювання контактів, підвищений шум при комутаціях і викид розжарених газів.

2. Малий час спрацювання. Якщо контактні апарати спрацьовують за десяті, мінімум – соті долі секунди, то максимальний час вмикання напівпровідникового апарата на перевищує 50 мкс. Час вимикання НПЕА без застосування схем вимушеної комутації не більше тривалості півперіоду струму, а з блоками вимушеної комутації апарати вимикаються за час 0,5…72 мс. Можливості НПЕА за допустимою частотою спрацювань (десятки та сотні тисяч разів за годину) є практично необмеженими, оскільки вони набагато перевищують потребу в цьому.

3. НПЕА є багатофункціональними. Без зміни структури силової частини вони можуть суміщати в собі функції комутування, швидкодіючого захисту кіл, регулювання напруги та струму, формування імпульсів напруги та струму з заданими параметрами.

4. Висока готовність до роботи.

5. Стабільність характеристик при експлуатації в різних кліматичних умовах та при дії механічних факторів.

6. Можливість використання в мережах різних напруг при заміні напівпровідників на інший тип, або при зміні класу за напругою.

7. Висока надійність.

Але напівпровідникові прилади, як основа НПЕА, мають ряд суттєвих недоліків, які знижують їх ефективність або й не дозволяють застосовувати в тих чи інших виробах:

1. Нездатність витримувати значні навантаження струмом. Більшість тиристорів допускає 3…4 кратні перевантаження на протязі одного півперіоду при частоті 50 Гц при відсутності попереднього навантаження. Контактні апарати витримують 7…10 кратне перевантаження на протязі кількох секунд.

2. НПЕА дуже чутливі до перенапруг та швидкості наростання напруги. Тому при їх розробці передбачають захист напівпровідників від комутаційних і зовнішніх перенапруг.

3. Великі втрати енергії і, як наслідок, виділення в апараті великої кількості тепла. Тому для захисту напівпровідникових структур від перегрівання та розсіювання тепла використовують охолоджувачі, примусове повітряне або водяне охолодження.

4. Відсутність гальванічної розв'язки електричного кола, у зв'язку з чим послідовно з НПЕА необхідно встановлювати контактний апарат.

5. Високі малогабаритні показники і висока вартість НПЕА.

НПЕА класифікують за призначенням, родом струму, номінальною напругою, конструктивними особливостями та за принципом дії.

За принципом дії НПЕА поділяють на:

1. Апарати з природною комутацією. Ці апарати використовуються в колах змінного струму і вимикаються за рахунок зміни полярності напруги джерела живлення. Для повного їх вимкнення досить зняти керуючі сигнали з керуючих електродів. До таких апаратів відносяться: контактори, пускачі, вимикачі навантаження, перемикачі.

2. Апарати з штучною (примусовою) комутацією. Для їх вимикання використовують допоміжні елементи, які знижують анодний струм напівпровідника до нуля. В групу таких апаратів входять всі апарати постійного струму та захисні напівпровідникові апарати змінного струму (вимикачі високої та низької напруги, апарати автоматичного вмикання резерву).

3. Комбіновані апарати. Комбіновані електричні апарати складаються з контактного апарата (контактор, автоматичний вимикач тощо), паралельно до головних контактів якого підключено напівпровідниковий елемент (тиристор). Процес вимикання комбінованого апарата протікає в два етапи. На протязі першого етапу при розмиканні контактів струм переходить в напівпровідниковий апарат. В другому етапі струм переривається напівпровідниковою структурою з використанням, як правило, природної комутації. В таких апаратах дуга горить дуже короткий час, завдяки чому різко підвищується стійкість контактного апарата проти комутаційних спрацювань та його швидкодія.

4. Апарати з фазовим керуванням. До них відносяться апарати змінного струму з природною або штучною комутацією, що додатково виконують функцію регулювання вихідної потужності. Режим регулювання забезпечується системою керування, яка здійснює затримку вмикання тиристора на заданий кут по відношенню до нуля струму.

В силових колах НПЕА найчастіше використовують силові тиристори.

Структура умовного позначення тиристорів:

1. тиристор;

2. група тиристорів (Ч - високочастотний; Л - лавинний; С симетричний і т.д.);

3. номер конструктивного виконання;

4. граничний струм, А (10, 25, 160 і т.д.);

5. клас за повторюваною напругою (в сотнях вольтах);

6. клас за критичним наростанням напруги (dU/dt)_кр;

7. група за часом вимкнення;

8. група за критичним наростанням струму (di/dt)_кр;

9. пряме падіння напруги, В.

Наприклад, тиристор Т100-9312 має такі параметри: граничний струм 100 А; максимальна повторювана напруга 900 В; критична швидкість наростання напруги 100 В/мкс; час вимикання 250 мкс; критична швидкість наростання струму 40 А/мкс.

Способи керування тиристорами. Відомі три основні способи керування тиристорами в колах змінного струму: амплітудний, фазовий, фазо-імпульсний.

При амплітудному керуванні сигнал керування формується напругою мережі. При закритому тиристорі VS2 (рис. 2.7, а) та замкненому контакті реле КV напруга мережі прикладається до керуючого переходу тиристора. Останній відкривається, коли струм через керуючий перехід досягне значення струму відкривання. Відкритим тиристор VS2 залишається до кінця півперіоду, коли струм навантаження знизиться до нуля. В протилежний півперіод аналогічно відкривається тиристор VS1. Діаграма, що пояснює принцип амлітудного керування, зображена на рис. 2.7, б. Спосіб амплітудного керування застосовують у тиристорних пускачах.

а) б)

Рисунок 2.7 – Однофазний тиристорний вимикач з амплітудним керуванням:

а) схема електрична принципіальна; б) часова діаграма напруг

Спосіб фазного регулювання застосовується дуже рідко, тому тут не розглядається.

При фазо-імпульсному керуванні на керуючі електроди періодично з певною швидкістю подаються керуючі імпульси, які формуються спеціальним генератором (рис. 2.8, а).

В апаратах, що виконують тільки функції комутування моменти початку подачі імпульсів повинні бути синхронізовані з моментами переходу через нуль струму навантаження або напруги джерела живлення. Якщо апарат виконує і регулювання потужності (фазове керування), то система керування повинна здійснювати зсув керуючих імпульсів відносно нуля струму на заданий кут α (рис. 2.8, б).

Тиристорні пускачі. На основі тиристорних блоків розроблено ряд схем тиристорних пускачів, які відрізняються між собою функціональними та конструктивними особливостями. На рис. 2.9 зображена принципіальна схема пускача, який складається з силового блока А1, блока живлення А2, блока захисту А3 та блока керування А4. Пускач може виконувати такі функції: вмикання та вимикання двигуна, нульова блокіровка, захист від коротких замикань, перевантажень і обриву фази.

а) б)

Рисунок 2.8 – Фазо-імпульсне керування тиристором:

а) схема електрична принципіальна; б) часова діаграма напруг

Рисунок 2.9 – Схема тиристорного пускача

Силовий блок А1 має по три силових тиристори VS1-VS3 і діоди VD1-VDЗ, які включені зустрічно паралельно в кожну фазу. Тиристори та діоди розраховані на пусковий струм керованого двигуна М. При подачі сигналів на керуючі кола тиристорів (клеми 1-2, 3-4, 5-6) тиристори відкриваються та вмикають двигун в електричну мережу. У зворотній півперіод тиристори закриті, а струм проходить через діоди VD1-VDЗ. Якщо сигнали керування знімаються, то після пропускання прямого півперіоду струму тиристори закриваються, а зворотна півхвиля пропускається діодами. Лише після цього двигун вимикається з мережі. Якщо діоди VD1-VDЗ замінити тиристорами, то двигун буде вимикатися після пропускання тиристорами першого півперіоду струму. Сигнали керування формуються блокінг-генератором, розміщеним в блоці керування А4, та подаються на тиристори після натискання кнопки SB2 ("Пуск"). Після переривання струму на блок керування кнопкою SB1 тиристори закриваються. При знятті напруги живлення і повторній її подачі блок А4 не формує сигналів керування, здійснюючи таким чином нульову блокіровку. При перевантаженні двигуна струмом сигнал перевантаження знімається з вторинних обмоток трансформаторів струму TА1-TА3 і подається в блок захисту А3, який шунтує коло живлення блокінг-генератора. Останній перестає генерувати сигнали керування і двигун вимикається.

При обриві однієї з фаз живлення у вихідній напрузі джерела живлення А2 появляється пауза, під час якої струм через блокінг-генератор припиняється, внаслідок чого силові тиристори закриваються, вимикаючи двигун з мережі.

Захист двигуна та силового блока пускача від коротких замикань здійснюється швидкодіючими запобіжниками FU1-FU3.

Питання для самоперевірки

1. Що таке номінальна та робоча напруга електричного апарата?

2. Яка різниця між номінальним і номінальним робочим струмом апарата?

3. В яких номінальних режимах можуть працювати електричні апарати?

4. Які категорії застосування передбачено для електричних апаратів?

5. Які апарати відносяться до апаратів ручного керування?

6. За якими параметрами і ознаками вибирають рубильники, пакетні вимикачі, пакетно-кулачкові вимикачі і перемикачі?

7. Для чого використовують кнопки і кнопкові пости і як їх вибирають?

8. Які переваги безконтактних шляхових перемикачів перед контактними?

9 Розкажіть призначення, будову і принцип дії контактора, електромагнітного пускача.

10. З якою метою використовують напівпровідникові приставки до контакторів і як вони працюють?

11. За якими параметрами і ознаками вибирають контактори, електромагнітні пускачі?

12. Які апарати називають електричними реле?

13. Для чого використовують реле струму, реле напруги, проміжні реле?

14. За якими параметрами і ознаками вибирають проміжні реле?

15. Розкажіть будову і принцип дії реле часу моторних, пневматичних, електромагнітних, електронних.

16. За якими параметрами і ознаками вибирають реле часу?

17. Які переваги герконових реле перед електромагнітними?

18. Які переваги і недоліки напівпровідникових електричних апаратів порівняно з контактними?

19. Розкажіть принцип фазо-імпульсного керування тиристорами.