Сосков А.Г. Напівпровідникові апарати. Комутація, управління, захист

  1. Сосков А.Г. Напівпровідникові апарати. Комутація, управління, захист
  2. Передмова
  3. Вступ

Сосков А.Г. Напівпровідникові апарати. Комутація, управління, захист

Сучасні напівпровідникові апарати, які приходять на зміну електричним апаратам. Для студентів вузів. Електричні і енергетичні спеціальності, енергозбереження.

Скачати книгу зміст

Передмова

Напівпровідникові апарати представляють новий напрямок в елек-троаппаратостроеніі. Його виникнення безпосередньо пов'язано з почався в останні десятиліття революційним розвитком силової електроніки і мікросхемотехніки, що дозволив, використовуючи нові принципи побудови електричних апаратів на базі елементів зазначеної електронної техніки, радикально покращувати комутаційну зносостійкість і швидкодію новостворюваних апаратів, а також розширювати їх функціональні можливості. Динамічному просуванню напівпровідникових апаратів сприяв загальний прогрес в техніці, висуваючи до електричних апаратів високі вимоги, які стає все складніше вирішувати на базі традиційних принципів їх побудови.

Необхідно особливо підкреслити, що Україна була провідною в СРСР в галузі створення напівпровідникових апаратів. Тут в інституті "ВНІІЕлектроаппарат" (м.Харків) та на підприємстві НВО "ХЕМЗ", були вперше розроблені за безпосередньої участі авторів цієї книги уніфіковані напівпровідникові реле захисту, безконтактні і гібридні контактори і вимикачі змінного і постійного струму, а також створені на їх основі високонадійні автоматизовані комплектні пристрої різного призначення. Саме тому в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут", починаючи з 1977 р для більш якісної підготує вки інженерів за фахом "Електричні апарати" був введений новий курс "Напівпровідникові апарати", який читав з 1977 р по 1981 р один з авторів цієї книги (Сосков А.Г.). В даний час цей курс після неодноразових змін називається "Безконтактні електричні апарати" і є базовим для підготовки фахівців і магістрів за фахом "Електричні машини і апарати" напряму "Електромеханіка". На жаль, відсутність підручника з даного курсу ускладнює їх підготовку з урахуванням сучасних досягнень науки і техніки.

Створюючи підручник відповідно до програми, ми основну увагу приділили опису і розкриття загального, значущого для більшості апаратів розглянутого класу. При цьому ми намагалися, щоб матеріал книги максимально базувався на конкретних результатах роботи провідних підприємств нашої країни і зарубіжних країн в галузі створення напівпровідникових апаратів. У підсумку, на нашу думку, обсяг викладеної в ній інформації відповідає реальним можливостям студентів, які вивчають даний курс, а її зміст дозволяє отримати досить глибокі і різнобічні знання. Ми дещо змінили назву підручника в порівнянні з найменуванням навчального курсу, для якого він призначений, так як вважаємо, що таку назву повніше відображає сутність нового напряму в апаратобудуванні.

З огляду на ту роль, яку напівпровідникові апарати починають грати в сучасних системах електроспоживання і розподілу електричної енергії завдяки своїм прекрасним експлуатаційним характеристикам, пропонований підручник може бути також корисний при загальтехнічної підготовці фахівців в навчальних закладах II-IV рівнів акредитації за напрямками "Електротехніка" і "Електромеханіка" . Ми сподіваємося, що зміст підручника і форма його викладу дозволять успішно вирішувати цю задачу.

Справжній курс тісно пов'язаний з електротехнічними дисциплінами, що вивчаються в вузі, і є продовженням загального курсу "Електричні апарати". Він базується на курсах вищої математики, фізики, теоретичних основ електротехніки, електричних вимірювань, електроніки і мікросхемотехніки.

В результаті вивчення матеріалу підручника студенти повинні зрозуміти основні принципи побудови безконтактних і гібридних напівпровідникових апаратів, знати їх можливості і області раціонального застосування, навчитися розраховувати основні електромагнітні та теплові процеси, що протікають в цих апаратах, вміти формулювати завдання на їх розробку і кваліфіковано проектувати найпростіші з них , а також грамотно експлуатувати ці вироби.

Автори висловлюють подяку і глибоку вдячність рецензентам книги - завідувачу кафедри "Електричні апарати" Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут", докт. техн. наук, проф. Б.В. Клименко і проф. кафедри "Енергоустановки і двигуни космічних літальних апаратів" Національного аерокосмічного університету ім. Н.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" докт. техн. наук, проф. А.І. Яковлєву, змістовні і зацікавлені відгуки яких підтримали авторів в їх роботі і допомогли чіткіше виявити спрямованість книги.

Передмова, введення, висновок, розділи 6-8 написані докт. техн. наук, проф. А.Г. Сосковим, розділи 1-5 - докт. техн. наук, проф. А.Г. Сосковим і канд. техн. наук, доц. І.А. Сосковой.

Вступ

Електричні апарати складають основу комплектних пристроїв, призначених для прийому, регулювання і розподілу потоків електричної енергії та інформації. З огляду на ту ключову роль, яку відіграють електричні апарати в цих процесах, до якості їх роботи пред'являються високі вимоги. В умовах все зростаючого технічного прогресу класичні електромеханічні або контактні апарати (КА) не завжди в змозі задовольнити цим постійно зростаючим жорстким вимогам.

Інтенсивний розвиток силової електроніки в останні десятиліття, результатом якого стало створення відносно недорогих силових електронних ключів, здатних комутувати з високою частотою потоки потужності до декількох мегават, а також впровадження в схемотехнику інтегральних схем і мікропроцесорних пристроїв створили сприятливі умови для кардинального підвищення якості електричних апаратів шляхом використання при їх побудові елементів електронної техніки. Останнім часом цей процес набув прискорений характер в зв'язку з тим, що традиційні способи підвищення якості КА, особливо їх комутаційної і механічної зносостійкості, все більше вичерпують себе, а результати прогресу в силовий електроніки стають все більш вражаючими. Останнє відноситься в першу чергу до силових напівпровідникових приладів (одноопераційних і двухопераціонним тиристорам, ОПТРОН тиристорам, потужним біполярним транзисторам з ізольованим затвором і IGCT-тиристорам), які сьогодні в стані коммутировать струми в електричних ланцюгах від сотень ампер до декількох тисяч при робочих напругах в сотні і тисячі вольт і потужності управління, вимірюваної всього лише одиницями ват.

Застосування силових напівпровідникових приладів (СПП) в апараті-будові з використанням для їх управління елементів мікросхемотехніки дозволило на основі нових принципів побудови апаратів поліпшити багато параметрів новостворених пристроїв, в тому числі підвищити багаторазово комутаційну зносостійкість і швидкодію, а також істотно розширити їх функціональні можливості. Ці пристрої на відміну від електромеханічних апаратів почали з 70-х років минулого століття називатися напівпровідниковими апаратами (ПА).

Можна вважати, що в Україні початок розвитку ПА поклали напівпровідникові расцепители для автоматичних вимикачів серії А3700, які були розроблені інститутом "ВНІІЕлектроаппарат" (м.Харків) в середині 60-х років. Напівпровідникові расцепители дозволили не тільки істотно поліпшити якість захисних характеристик вимикачів, а й, що особливо важливо, підняти їх граничну комутаційну здатність до рівня, якого було неможливо досягти при використанні традиційних біметалевих расцепителей. Трохи пізніше в інституті ВННІР (м Чебоксари) була розроблена ціла гама різних типів напівпровідникових реле захисту. Таким чином, в СРСР з'явилися перші зразки слабкострумових ПА. Приблизно в такому напрямку з випередженням в два - три роки проходило розвиток ПА і в США, де також були спочатку створені слабо-точні напівпровідникові реле, в тому числі напівпровідникові расцепители.

Створення в СРСР потужних напівпровідникових діодів і одноопераційних тиристорів і що з середини 60-х років їх масове виробництво дало поштовх до використання цих приладів в силових комутаційних апаратах управління і захисту (контакторах, пускателях, вимикачах). Застосування в них для бездуговой комутації електричного кола в якості основного силового елемента електронного ключа (ЕК), виконаного на базі зазначених СПП, дало можливість не тільки кардинально підвищити зносостійкість і швидкодію нових апаратів, а й здійснювати більш складні процеси управління, ніж операція "включено- вимкнено ", що виконується КА, при одночасному поліпшенні якості захисту електрообладнання. Це створило сприятливі умови в різних галузях промисловості для отримання значного економічного ефекту за рахунок оптимізації технологічних процесів. Прикладом таких силових безконтактних ПА були розроблені у ВНДІ Електроапарат в середині 70-х років тиристорні вимикачі змінного і постійного струму серій ВА81 і ВА83 на номінальні струми до 1000 А, мають високу зносостійкість і забезпечують високий рівень струмообмеження при відключенні короткого замикання в навантаженні, недосяжні для КА. Однак безконтактні ЕК в той час істотно поступалися традиційним механічним ключам за габаритами і вартості, перевантажувальної здатності по струму і напрузі. Втрати електричної потужності в їх ланцюга у включеному стані також на порядок перевершували аналогічні втрати в класичній контактної ланцюга. Все сказане, природно, обмежувало області раціонального застосування безконтактних ПА, виконаних на їх основі. Прагнення об'єднати в одному пристрої позитивні якості як КА (малі втрати потужності у включеному стані), так і безконтактних (без-дугова комутація ланцюга) привело до створення гібридних ПА. У цих апаратів паралельно головним контактам підключений електронний ключ, що забезпечує бездуговую комутацію розмикає контакти. У включеному стані апарату електронний ключ шунтований ланцюгом головних контактів.

Створені в 70-х роках у ВНДІ Електроапарат гібридні контактори змінного струму серій КТП64 і Кт64 і постійного струму серії КТП81 на номінальні струми до 630 А і номінальну напругу до 660 В успішно експлуатувалися в важких режимах роботи (висока частота включень, вмикати або вимикати загальмованих електродвигунів і т.п.), при цьому потреба в цих апаратах досягла 10% від загального обсягу випуску контакторів і пускачів.

У 80-х роках почався новий етап у розвитку силової електроніки, пов'язаний зі створенням потужних повністю керованих напівпровідникових приладів (двухопераціонних тиристорів, потужних біполярних транзисторів і особливо силових IGCT-тиристорів і IGBT-транзисторів). Високий рівень електронних технологій дозволив організувати масове виробництво цих приладів у вигляді інтегральних модулів компактних конструкцій. Об'єднання в одному корпусі силових приладів і елементів мікросхемотехніки з різним ступенем інтеграції створило сприятливі умови для простої реалізації різних законів управління електричними потоками, включаючи формування сигналів для захисту і діагностики. Такі модулі отримали назву "інтелектуальних". Одночасно були створені потужні одноопераційних тиристори, здатні витримувати короткочасні струмові перевантаження в декілька десятків кілоампер. Все це дозволило проектувати ПА управління, захисту і регулювання змінного і постійного струму з поліпшеними техніко-економічними показниками, створюючи таким чином передумови для більш широкого їх використання. Високі техніко-економічні показники ПА, гнучкість їх регулювальних характеристик, можливість поєднувати в одному пристрої функції різних апаратів, зручність їх сполучення з елементами автоматики і мікропроцесорної техніки, в свою чергу, створили сприятливі умови для розробки на основі цих апаратів автоматизованих низьковольтних комплектних пристроїв (НКП), що відповідають найвищим вимогам сучасного енергонасиченого виробництва. Прикладом таких комплектних пристроїв є, наприклад, створені в НВО "ХЕМЗ" системи "м'якого" пуску асинхронних двигунів, а також швидкодіючі прилади автоматическо го введення резерву.

Великий внесок у розвиток ПА, а також в створення основ їх теорії внесли такі відомі вчені та фахівці промисловості: Дзюбан В. С., Кукеков Г. А., Міцкевич Г. Ф., Могилевський Г. В., Намітоков К. К. , Райнін В. Є., Розанов Ю. К., Сосков А. Г., таев І. С. та ін.

Таким чином, як безконтактні, так і гібридні напівпровідникові апарати є новим і динамічно розвивається класом в сучасному апаратобудуванні. Конкурентоспроможність ПА на світовому ринку електричних апаратів постійно зростає, що обумовлено досягненнями в силовій електроніці і все зростаючими вимогами сучасних систем електроспоживання до якості електричних апаратів. У зв'язку з цим сучасний фахівець в області електротехніки та електромеханіки повинен знати основні принципи побудови та проектування цих апаратів, а також вміти кваліфіковано їх експлуатувати.