1. Общая характеристика аппаратов на основе силовых полупроводниковых приборов
Сильноточные электронные аппараты (СЭА) представляют развивающееся направление в электроаппаратостроении, которое базируется на современных достижениях в области сильноточной полупроводниковой техники, радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики. Принцип действия этих аппаратов основан на использовании ключевых характеристик силовых полупроводниковых приборов (СПП), что позволяет создавать не только аналоги контактных аппаратов с улучшенными характеристиками, но и аппараты с принципиально новыми функциональными возможностями. Особенно широкое применение СПП нашли в коммутационной и защитной аппаратуре низкого напряжения.
В последнее время в связи с совершенствованием технологии производства характеристики выпускаемых промышленностью управляемых и неуправляемых полупроводниковых приборов значительно улучшились. Такие важнейшие параметры, как повторяющееся импульсное напряжение и средний ток для тиристоров и диодов, достигает соответственно значений 4,5 кВ, 2000 А и б кВ, 2500 А. Освоен выпуск новых приборов с повышенными динамическими характеристиками (тиристоры быстродействующие типа ТБ253, тиристоры-диоды быстровключающиеся, запираемые, и оптронных тиристоров. Такое развитие полупроводниковой техники создало реальные условия для эффективного использования СПП в высоковольтном аппаратостроении.
Отметим, что характеристики электронных аппаратов высокого и низкого напряжений не имеют принципиальных различий. В обоих случаях основными элементами главных цепей являются СПП, свойства которых и определяют все достоинства электронных аппаратов: бездуговая коммутация электрических цепей; отсутствие подвижных частей в конструкции; почти мгновенная готовность к срабатыванию; высокие быстродействие, частота включений и коммутационный ресурс; способность сохранять стабильность характеристик в сложных климатических условиях и при воздействии механических факторов; повышенный срок службы и надежность. Однако практическая реализация аппаратов высокого напряжения связана с решением комплекса сложных задач, обусловленных прежде всего групповым (последовательным и параллельным) соединением большого числа полупроводниковых приборов. Основные из этих задач могут быть сформулированы на основе анализа режимов работы силового блока аппарата и характеристик используемых в нем СПП.
Рис. 1. Электрическая схема высоковольтного тиристорного блока с элементами защиты от перенапряжений
Один из вариантов силового блока аппарата в однополюсном исполнении и иллюстрация коммутационных процессов в нем показаны на рис. 1 и 2. Однонаправленная проводимость тиристоров обусловливает необходимость встречно-параллельного их соединения в тиристорных блоках (ТБ) для использования в цепи переменного тока. При этом в каждом направлении тока тиристоры соединены в свою очередь последовательно и параллельно в количествах обеспечивающих расчетные параметры соответственно по напряжению и току проектируемого аппарата.
Рис. 2. Процесс коммутации тиристорным аппаратом цепи переменного тока с активно-индуктивной нагрузкой
С учетом ограниченной мощности единичных приборов общее их число в блоке может доходить до нескольких десятков. Очевидно, что главная цепь аппарата в этом случае будет содержать множество жестких контактных соединений. Необходимо, следовательно, принимать специальные меры, позволяющие обеспечить низкие переходные сопротивления контактов и высокий уровень их надежности.
Другие задачи, связанные с созданием высоковольтных аппаратов, обусловлены несовершенством характеристик СПП, и в частности характеристик тиристоров. Являясь быстродействующими ключевыми элементами, они не обладают идеальными для применения в аппаратах свойствами: и в состоянии высокой проводимости, и в закрытом состоянии в них происходит выделение относительно большого количества теплоты. В среднем на каждые 100 А тока в прямом направлении потери мощности в тиристорах при полном угле проводимости ф = 180°) составляют около 90 Вт. Следовательно, в тиристоре при среднем токе 1000 А мощность потерь только в открытом состоянии равна 900 Вт. Существенными являются также потери от токов утечки в обратном непроводящем состоянии, если приборы работают при напряжениях, близких к предельным допустимым.
При большом числе тиристоров в силовом блоке рассеивание выделяемой мощности потерь может быть осуществлено только при использовании специальной системы охлаждения. Как правило, каждый тиристор снабжается индивидуальным типовым охладителем с развитой поверхностью для систем принудительного воздушного охлаждения или внутренней полостью для систем водяного охлаждения. В любом случае создание системы охлаждения требует сложных технических решений, увеличивает массу и габариты силового блока.
Для перевода силового блока во включенное состояние на входы тиристоров, проводящее направление которых совпадает с положительным (условно) полупериодом приложенного напряжения сети ис, необходимо подать управляющие импульсы тока. В дальнейшем включенное состояние блока поддерживается - поочередным поступлением управляющих сигналов иу на соответствующие тиристоры при каждом изменении направления тока нагрузки /н, как это показано на рис. 2. По прекращении выдачи управляющих сигналов ток в цепи прерывается при ближайшем переходе его через нулевое значение. Таким образом, управление режимами работы тиристорного блока должно осуществляться системой управления, при создании которой следует решать вопросы формирования оптимальных по длительности и форме управляющих импульсов, распределения этих импульсов по тиристорам, синхронизации управляющих импульсов с кривой тока или напряжения, обеспечения надежной изоляции между силовой цепью и управляющими цепями, которые имеют потенциал земли, и др.
Сложные проблемы возникают также из-за неидентичности характеристик соединяемых в группы диодов или тиристоров. Частично разброс на отдельных участках вольт-амперных характеристик, например, характеристик открытого состояния, можно уменьшить в результате подбора приборов. Но в этом случае необходимо иметь еще и запасной комплект приборов с подобранными характеристиками. С учетом большого ресурса работы СПП такой подход неприемлем прежде всего по экономическим соображениям, так как приводит к длительному неиспользованию дорогостоящих приборов.
Если говорить о подборе СПП по всем характеристикам, в том числе и динамическим (коммутационным), то это принципиально невозможно. Поэтому необходимо принимать специальные меры, позволяющие снизить неравномерность распределения тока по параллельным ветвям и напряжения по последовательно соединенным СПП. Например, для выравнивания напряжения по тиристорам в статическом и динамическом режимах работы параллельно каждому из них подсоединяют соответственно высокоомный резистор, ЯС-цепь и нелинейный ограничитель перенапряжений, как показано на рис. 1. Введение этих дополнительных элементов в схему значительно увеличивает габариты и массу силового блока, потери энергии, усложняет его конструкцию. Чтобы указанные последствия проявились в меньшей степени, в каждом конкретном случае применения аппарата должна быть решена задача многопараметрической оптимизации, учитывающей свойства СПП, характер коммутируемой нагрузки, допустимый уровень перенапряжений, скорость нарастания восстанавливающегося при коммутации напряжения и др.
Рассмотренные технические сложности не являются сдерживающим фактором для создания электронных аппаратов на напряжение вплоть до 110 кВ. Но уже при напряжении 10 кВ и номинальном токе, при котором необходимо соединять параллельно более двух приборов, выполнение таких аппаратов требует больших затрат. Поэтому в настоящее время экономически оправданным является создание электронных аппаратов на напряжения 6, 15 кВ и комбинированных контактно-электронных аппаратов на напряжение до 35 кВ.
Так как и при таких напряжениях стоимость и массогабаритные показатели остаются высокими, СЭА следует рассматривать как аппараты специального назначения. Они должны использоваться в тех случаях, когда другие аппараты не способны удовлетворять требованиям к быстродействию, коммутационному ресурсу, надежности работы при большой частоте повторения операций и др. В качестве выключателей нагрузки они могут применяться для переключения секций и обмоток силовых трансформаторов управляемых реакторов, для управления электропечными установками, оборудованием нефтяной и горнодобывающей промышленности в условиях повышенной взрывоопасности и агрессивности среды. Важной областью применения СЭА являются системы автоматического включения синхронных генераторов на параллельную работу, где быстродействие СЭА позволяет обеспечить практически точную синхронизацию.
Снабженные блоком принудительной (искусственной) коммутации тиристоров СЭА могут выполнять функции не только коммутации, но и защиты приемников. Это позволяет использовать их в системах бесперебойного питания, где необходимо сочетать повышенное быстродействие и высокую токоограничивающую способность аппарата. Сверхбыстродействие таких аппаратов (время отключения 0,002 с) обеспечивает защиту приемников от недопустимых колебаний напряжения, ускоряет действие АВР и АПВ.
Отдельно следует отметить эффективность использования электронных аппаратов на различного рода исследовательских и испытательных стендах для высоковольтного оборудования, в том числе и на стендах для испытаний коммутационных аппаратов. Здесь высокие быстродействие и частота повторения операций СЭА обеспечивают: возможность кратковременного подключения испытуемых образцов к источнику питания, точную синхронизацию включения в любой момент времени в течение полупериода напряжения или тока, регулирование средних значений тока и напряжения. В результате могут быть уменьшены в несколько раз затраты времени и энергии на испытания и, следовательно, стоимость самих испытаний.
Рис. 3. Схема СЭА переменного тока
По аналогии с контактными аппаратами в электронном аппарате трехполюсного исполнения (рис. 3) можно выделить главную (силовую) и вспомогательную цепи.
Силовая часть содержит три идентичных полупроводниковых блока ПБ, выполненных в общем случае по схеме на рис. 1 с использованием только тиристоров или тиристоров и диодов. В каждый полюс аппарата последовательно с ПБ включены датчики тока ДТ — измерительные трансформаторы тока или специальные пик-трансформаторы, фиксирующие момент перехода тока через нулевое значение и его полярность. Для обеспечения защиты ПБ от токов КЗ в состав силовой части аппарата может входить узел принудительной коммутации (на рис. 3 не показан), объединяющий в себе коммутирующий конденсатор и тиристорную схему подключения его к полупроводниковым блокам.
Вспомогательная цепь включает в себя все блоки системы управления, защиты и диагностики состояния ПБ. На рис. 3 система управления представлена укрупненно одним блоком логических команд БЛК и формирователями управляющих импульсов ФИ в каждом полюсе аппарата. В состав БЛК входят устройства, которые осуществляют селекцию и запоминание команд, поступающих от органов оперативного управления или релейной защиты, слежение за сигналами от датчиков управления и диагностики, вырабатывают команды для управления формирователями импульсов. Схема БЛК значительно усложняется, если аппарат снабжен устройством принудительной коммутации и (или) кроме функции коммутации цепей должен осуществлять регулировку напряжения и тока. В последнем случае схема БЛК дополняется устройством фазового управления, обеспечивающим выдачу команд на формирование импульсов с запаздыванием на заданный угол по отношению к нулевому значению тока. Заметим, что БЛК имеет, как правило, потенциал земли. Поэтому все каналы связи по обмену информацией с датчиками и блоками, находящимися под высоким напряжением, должны иметь устройства, обеспечивающие надежную изоляцию его от высокого потенциала: изолирующие трансформаторы, световые вставки и др..