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