6.2. Аналіз сучасних напрямків розвитку напівпровідникових апаратів

 

На даний час розвиток низьковольтних силових комутаційних НА здійснюється за наступними напрямками:

–       створення безконтактних НА;

–       створення гібридних НА.

Безконтактні НА виконуються на основі силових напівпровідникових приладів (діодів, тиристорів, двоопераційних тиристорів, симисторів, потужних транзисторів та IGCT-тиристорів).

Структурні схеми типових безконтактних НА зображені на рис. 6.1, а (напівпровідниковий контактор) та рис. 6.1, б (напівпровідниковий швидкодіючий вимикач).

Рис. 6.1. Структурні схеми типових безконтактних НА

 

Електронний ключ (ЕК), як правило складається із зустрічно-паралельно ввімкнених тиристорів та за командою, яка задається блоком керування (БК), забезпечує ввімкнення або вимкнення навантаження. В напівпровідниковому контакторі має місце природна комутація тиристорів, в напівпровідниковому швидкодіючому вимикачі – примусова, що досягається за допомогою блока примусової комутації (БПК). Блок захисту (БЗ) разом з давачем (Д) забезпечує захист кола вимикача в аварійних режимах роботи.

Застосування СНП (тиристора) в якості основного комутаційного елемента дозволяє не тільки позбутися основних недоліків традиційних контактних апаратів (КА), які пов’язані з дуговими процесами на контактах, але й отримати пристрої з принципово новими властивостями.

Основні переваги безконтактних НА в порівнянні з КА:

– бездугове вимкнення електричних кіл та висока частота ввімкнень;

– підвищена надійність в експлуатації завдяки відсутності електричної дуги під час комутації, рухомих частин та кінетичних зв’язків;

– швидкодія (час вимкнення може складати одиниці та навіть частину мілісекунди), що дозволяє створювати якісно новий захист електричних кіл з високим рівнем струмообмеження, а також забезпечувати безперебійне електропостачання;

– можливість разом з виконанням функцій звичайних апаратів регулювати напругу (потужність), здійснювати реверсування, гальмування, регулювання швидкості електроприводів;

– незначна потужність керування;

– висока технологічність, обумовлена блочність конструкції та можливість використання уніфікованих вузлів;

– можливість застосування у вибухо- та пожежонебезпечних приміщеннях.

Окрім переваг безконтактні НА мають наступні недоліки:

– великі втрати енергії у ввімкнутому стані (у 25-100 разів більше, ніж у КА);

– низька перевантажувальна здатність (на порядок нижче, ніж у КА);

– низький рівень перенапруги, який може витримати (у 3-5 разів менше, ніж у КА);

– наявність гальванічного зв’язку навантаження з джерелом;

– висока вартість та значні габарити.

Перераховані переваги та недоліки безконтактних НА визначили область їх раціонального застосування:

1.    Для створення простих комутаційних пристроїв (контакторів, пускачів) підвищеної надійності.

2.    Для отримання високого рівня швидкодії (створення принципово нових систем захисту електричних кіл, швидкодіючого пристрою вводу резерву).

3.    Для створення комутаційних пристроїв, які поєднують функції захисту, керування та регулювання.

4.    В галузях промисловості з високим рівнем автоматизації.

5.    В автоматизованих комплектних пристроях підвищеної надійності.

6.    В небезпечних умовах експлуатації.

Бажання об’єднати в одному пристрої позитивні якості контактних (малі втрати енергії в стаціонарному режимі) та безконтактних (бездугова комутація) апаратів призвело до створення гібридних НА. Структурна схема такого апарату наведена на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Структурна схема гібридного НА

 

В якості основного комутаційного елемента використовується гібридний електронний ключ (ГЕК), який складається з контактів (К) і напівпровідникового електронного ключа (ЕК). Бездугова комутація забезпечується шляхом шунтування контактів у момент їх розмикання ЕК. Оскільки падіння напруги на останньому значно нижче мінімальної напруги утворення дуги, то контакти розмикаються практично без дуги. Вимкнення кола виконується за допомогою блока керування (БК).

Бездугова комутація струму дозволяє проводити ряд корисних конструктивних змін у КА:

– знижувати потужність та габарити електромагнітного приводу;

– скоротити міжполюсні відстані.

Отже, гібридні НА мають деякі переваги як перед КА, так і перед безконтактними НА:

– в порівнянні з КА:

1.    практична відсутність електричного зносу контактів;

2.    більш висока механічна зносостійкість;

3.    відсутність іонізованого простору;

4.    відсутність необхідності у складних системах гасіння дуги;

5.    відсутність втрат на горіння дуги;

6.    знижені експлуатаційні витрати.

– в порівнянні з безконтактними НА:

1.    незначні втрати енергії у ввімкненому стані;

2.    знижене значення номінального струму СНП в порівнянні зі струмом вимкнення, відсутність не тільки спеціальних систем охолодження, а й охолоджувачів (радіаторів). Це можливе завдяки короткочасному режиму роботи СНП;

3.    значно більш низькі габарити, вага та вартість.

Але гібридні апарати мають і недоліки:

– низька стійкість до наскрізних струмів короткого замикання;

– можливість виникнення струмопровідних плівок на контактах, які викликають протікання струму через ЕК у випадку замкнутих контактів, що веде за собою вихід з ладу СНП, який не розрахований на такий режим.