Что такое полупроводниковый коммутатор

Обновлено: 03.07.2024

Изобретение относится к производству высоковольтных полупроводниковых коммутаторов (ВПК) тока на основе силовых диодов, динисторов, тиристоров и других полупроводниковых приборов силовой электроники и может использоваться в импульсной энергетике, где требуется переключение мега- и гигаваттных мощностей в субмиллисекундном диапазоне. ВПК состоит из подобранных по току утечки последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых элементов, которые центрируются и изолируются по боковой поверхности с помощью фторопластовых колец, корпуса, системы прижима и токоподводящих электродов. Корпус выполнен из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью. На обоих торцах корпуса жестко закреплены входящие в систему прижима металлические фланцы, имеющие резьбовые отверстия. При болтовом креплении крышки коммутатора к фланцам корпуса, с помощью размещенных внутри крышки элементов системы прижима, создается необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов и его передача через корпус на полупроводниковые приборы. При этом одновременно производится герметизация внутреннего объема корпуса коммутатора уплотнительными кольцами, расположенными между фланцами и токоподводящими электродами. Технический результат - увеличение удельной коммутируемой мощности ВПК тока при одновременном улучшении его коммутационных характеристик. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к элементам конструкции высоковольтных полупроводниковых коммутаторов (ВПК) тока на основе мощных диодов, динисторов, тиристоров и других приборов силовой электроники. Изобретение может использоваться в мощных системах импульсного питания (СИП) различного назначения (электротехнологические установки, экспериментальные физические комплексы и т.п.), где требуется переключение мега- и гигаваттных мощностей в субмиллисекундном диапазоне в моноимпульсном режиме работы.

На сегодняшний день ВПК тока во многом определяют технико-экономические характеристики СИП. Это обусловлено, с одной стороны, ростом числа ВПК тока в составе СИП (их количество может достигать десятков и сотен в одной системе импульсного питания), а с другой стороны, тем, что основные характеристики ВПК: величина удельной коммутируемой мощности, габариты, надежность и стоимость, в значительной степени определяют реализуемость СИП с требуемыми параметрами. В связи с этим разработка компактных, надежных, сравнительно дешевых в производстве и удобных в эксплуатации высоковольтных полупроводниковых коммутаторов тока является чрезвычайно актуальной и важной задачей.

Характерные значения рабочего напряжения современных СИП составляют десятки кВ, а тока - сотни кА. При этом ВПК представляет собой сборку из последовательно соединенных полупроводниковых приборов (ПП) таблеточной конструкции. Электрические и тепловые контакты между ПП внутри сборки, а также между ПП и внешними токоподводящими электродами обеспечиваются с помощью сжимающих усилий, которые создаются стягивающей сборку системой прижима. Рабочее напряжение и коммутируемый ток ВПК определяются соответственно количеством последовательно соединенных полупроводниковых приборов с заданным блокирующим напряжением и их активной площадью. Технико-экономические показатели ВПК зависят как от выбранной конструкции коммутатора, так и от параметров и характеристик используемых ПП.

Основным фактором, ограничивающим коммутационные возможности тиристора, является механизм его включения. При подаче на управляющий электрод тиристора запускающего импульса тока в зоне управляющего электрода формируется достаточно узкий плазменный канал, который со временем несколько расширяется, но скорость этого процесса невелика (0,1-0,005 мм/мкс). Такая локализация процесса включения делает практически невозможным создание токопроводящего канала большой площади, что не позволяет коммутировать с помощью тиристоров импульсные токи амплитудой десятки и сотни кА в субмиллисекундном диапазоне длительностей.

В настоящее время в России впервые в мире разработаны перспективные ВПК тока на базе реверсивно включаемых динисторов (РВД) (см., например, пат. RU 2107988, «Высоковольтный переключатель», МПК 6 H03K 3/53, опубл. 27.03.1998). РВД - двухэлектродные полупроводниковые приборы таблеточной конструкции, по своим возможностям коммутации мощных импульсных токов субмиллисекундной длительности значительно превосходят тиристоры, поскольку используют для переключения вместо дополнительного управляющего электрода принципиально иной способ - с помощью управляющего плазменного слоя. РВД переключается при кратковременном изменении полярности приложенного напряжения, что обеспечивает равномерное и быстрое включение прибора по всей кремниевой структуре. В результате допустимая скорость нарастания коммутируемого тока для РВД составляет не менее 30 кА/мкс, что более чем на порядок превышает значения di/dt, допустимые для мощных тиристоров. Простота запуска последовательно включенных РВД общим током запуска и высокие значения допустимой скорости нарастания тока предопределяют преимущества ВПК тока на динисторах по сравнению с тиристорным вариантом.

С целью получения высоких значений коммутируемой мощности на единицу объема (удельной коммутируемой мощности) современные ВПК тока выполняются на бескорпусных ПП (см., например, Chumakov G.D., Galakhov I.V., et al. “Switching of High-Power Current Pulses up to 250 kA and Submillisecond Duration using New Silicon Devices-Reverse Switched Dinistors” / 10th IEEE International Pulsed Power Conference, Albuguergue, NM, USA, 1995, pp.1103-1108, а также Б.Э. Фридман и др. «Конденсаторная ячейка емкостного накопителя энергии с коммутатором на основе реверсивно-включаемых динисторов». Приборы и техника эксперимента, 2008, №6, с.51-57).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ВПК тока на основе мощных РВД, рассчитанный на напряжение 25 кВ и импульсный ток до 180 кА при tp=450 мкс [Т. Bertier, V.G. Bezuglov, I.V. et al. “On the possible use of semiconductor RSD-based switch for flashlamps drive circuits in a Nd-glass laser amplifier of LMJ facility” in Proc. XIIth IEEE International Pulsed Power Conference, Monterey, CA, USA, June 1999]. ВПК тока-прототип содержит сборку из 15 последовательно соединенных бескорпусных РВД таблеточной конструкции с диаметром ПП 76 мм. Все РВД заключены в общий керамический корпус. Система прижима обеспечивает необходимое усилие для стягивания всех РВД в сборке и состоит из тарельчатых пружин и стягивающих шпилек, как показано на рисунке 5 в указанной выше статье. Полезный объем коммутатора прототипа составляет 6,5×10 3 см 3 .

Недостатками данного коммутатора являются:

- низкая удельная коммутируемая мощность, обусловленная значительными габаритными размерами ВПК тока;

- плохие эксплуатационные характеристики в части ремонтопригодности, а именно невозможность замены вышедших из строя в процессе эксплуатации коммутатора части его полупроводниковых приборов в связи с неразборностью корпуса ВПК.

Задача изобретения - повышение удельной коммутируемой мощности и улучшение эксплуатационных характеристик ВПК тока.

Техническим результатом изобретения является существенное (не менее чем в 1,5-2,0 раза) увеличение удельной коммутируемой мощности ВПК тока при одновременном улучшении его эксплуатационных характеристик.

Указанный технический результат в разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока достигается за счет того, что он, так же как и ВПК тока-прототип, содержит сборку последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых приборов таблеточной конструкции, корпус, систему прижима и токоподводящие электроды.

Новым в разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока является то, что коммутатор изготовлен из подобранных по току утечки полупроводниковых приборов, которые центрированы и изолированы по боковой поверхности с помощью диэлектрических колец и помещены в герметичный корпус, выполненный из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, при этом система прижима выполнена в виде жестко закрепленных на обоих торцах корпуса металлических фланцев, имеющих резьбовые отверстия и обеспечивающих при болтовом креплении к ним крышек коммутатора необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов.

В первом частном случае реализации разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока целесообразно корпус выполнить из изоляционного материала, например стеклопластика, армированного стекловолокном, а для герметизации внутреннего объема корпуса уплотнительные кольца из кремнеорганической резины целесообразно расположить между металлическими фланцами и токоподводящими электродами.

Во втором частном случае реализации разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать силовые диоды.

В третьем частном случае реализации целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать силовые тиристоры.

В четвертом частном случае реализации разработанной конструкции целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать реверсивно-включаемые динисторы.

Дополнительным техническим результатом изобретения является также улучшение габаритных и стоимостных характеристик разработанного мощного высоковольтного полупроводникового коммутатора тока.

Корпус предлагаемого коммутатора помимо защиты находящихся внутри полупроводниковых приборов от воздействия окружающей среды, что используется и в ВПК тока-прототипе, выполняет еще дополнительно функции:

- изоляционной системы, обеспечивающей надежную работу ВПК тока при приложении высоких напряжений между анодом и катодом коммутатора (25 кВ и выше);

- стягивающего узла системы прижима коммутатора, через который передается усилие сжатия (до 100 кН) на всю полупроводниковую сборку, необходимое для надежной коммутации токов в сотни кА.

На чертеже представлена конструкция разработанного ВПК тока.

В предложенном коммутаторе цилиндрический корпус 1 выполнен из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, высота корпуса 1 определяется исходя из требуемого рабочего напряжения коммутатора. Внутри корпуса 1 расположена высоковольтная сборка последовательно соединенных полупроводниковых приборов 2. Корпус 1 коммутатора, с одной стороны, защищает высоковольтную сборку от внешней среды, с другой стороны, обеспечивает необходимые воздушные изоляционные промежутки и расстояния по поверхности корпуса между катодом и анодом коммутатора. Кроме того, через корпус 1, входящий в систему прижима коммутатора, осуществляется передача сжимающих усилий к полупроводниковым приборам 2. На обоих торцах корпуса 1 штифтами 3 жестко закреплены металлические фланцы 4, имеющие резьбовые отверстия для крепления крышек 5 коммутатора, также входящих в систему прижима. В нижней и верхней крышках 5 коммутатора расположены системы опор шарнирного типа 7, 8, предназначенные для обеспечения равномерного распределения усилия сжатия на рабочие поверхности ПП 2. Эти усилия передаются через токоподводящие электроды 9.

В верхней крышке 5 коммутатора расположены другие элементы системы прижима, а именно тарельчатые пружины 10, винт-опора 11, контрольная шайба 12 и две гайки 13. Данные элементы системы прижима предварительно собираются в верхней крышке 5, при этом производится тарирование пружин 10 на заданное усилие сжатия. Фиксация этого усилия осуществляется гайками 13. Сборка крышки 5 с фланцем 4 системы прижима производится попеременным и равномерным затягиванием крепежных болтов до момента, когда контрольная шайба 12 перестает быть сжатой. При этом данное нормированное усилие сжатия передается на рабочие поверхности полупроводниковых приборов 2 через корпус 1, нижнюю крышку 5, шарнирные опоры 7, 8 и токоподводящие электроды 9. Сжатые ПП 2 соединены друг с другом через медные диски 14, расположенные между анодом одного полупроводникового прибора 2 и катодом соседнего прибора 2. Центрирование полупроводниковых приборов 2, медных дисков 14 и токоподводящих электродов 9 между собой осуществляется с помощью диэлектрических, например фторопластовых, колец 15, которые, кроме того, обеспечивают дополнительную защиту от пробоя по поверхности ПП 2. Коммутатор герметизируется в процессе сборки с помощью уплотнительных колец 16 из кремнеорганической резины, расположенных между токоподводящими электродами 9 и фланцами 4 корпуса 1.

Предлагаемая конструкция высоковольтного полупроводникового коммутатора тока рассчитана на применение мощных полупроводниковых приборов различного типа (диоды, тиристоры, РВД), имеющих бескорпусную таблеточную конструкцию с диаметром полупроводниковых элементов до 100 мм.

В частности, с помощью разработанного ВПК тока (см. чертеж) на базе 15 последовательно включенных бескорпусных РВД с диаметром элементов 76 мм и допустимым рабочим напряжением 2 кВ можно коммутировать импульсные токи до 400 кА с длительностью до 500 мкс при зарядном напряжении 25 кВ, что более чем в два раза превышает допустимое значение амплитуды коммутируемого тока прототипа ВПК. При этом полезный объем коммутатора за счет исключения отдельной системы прижима составляет не более 4×10 3 см 3 , что в 3 раза меньше по сравнению с зарубежными аналогами и в 1,5 раза меньше по сравнению с прототипом. Уменьшение полезного объема коммутатора обеспечивает увеличение в 1,5-2 раза удельной коммутируемой мощности при одинаковых технических характеристиках ПП.

Болтовое соединение крышек 5 и фланцев 4 корпуса 1 позволяет в процессе эксплуатации оперативно разбирать коммутатор с целью выявления и замены вышедшей из строя части полупроводниковых приборов коммутатора, что улучшает ремонтопригодность ВПК и с учетом снижения габаритных размеров его эксплуатационные характеристики в целом.

Таким образом, разработанная конструкция ВПК позволяет увеличить удельную коммутируемую мощность и улучшить эксплуатационные характеристики коммутатора, то есть позволяет решить поставленную задачу.

Подобная конструкция коммутатора может быть использована также при изготовлении ВПК на напряжения до 100 кВ и на импульсные токи до 1000 кА при высоких технико-экономических характеристиках.

1. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока, состоящий из последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых приборов таблеточной конструкции, корпуса, системы прижима и токоподводящих электродов, отличающийся тем, что коммутатор изготовлен из подобранных по току утечки бескорпусных полупроводниковых приборов, которые центрированы и изолированы по боковой поверхности с помощью диэлектрических колец и помещены в герметичный корпус, выполненный из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, при этом система прижима выполнена в виде жестко закрепленных на обоих торцах корпуса металлических фланцев, имеющих резьбовые отверстия и обеспечивающих при болтовом креплении к ним крышек коммутатора необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов и его передачу через корпус на упомянутые полупроводниковые приборы.

2. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из изоляционного материала, например стеклопластика, армированного стекловолокном, для герметизации внутреннего объема которого уплотнительные кольца из кремнийорганической резины расположены между металлическими фланцами и токоподводящими электродами.

3. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых приборов использованы силовые диоды.

4. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых приборов использованы силовые тиристоры.

5. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых приборов использованы реверсивно-включаемые динисторы.

Структурная схема ПК в наиболее общем виде состоит из следующих основных узлов (рис. 5.9):

  • узел силовых транзисторных ключей (СК);
  • узел формирования сигналов ДПР (ФС);
  • узел логических преобразователей (ПЛ);
  • узел формирования сигналов контроля режимов работы и защиты двигателя (ФСК).

Коротко рассмотрим отдельные элементы функциональной схемы ПК.

Силовые ключи являются основным элементом коммутатора. Они выполняют роль электронного коллектора, осуществляя коммутацию секций обмотки якоря ЭМП. В управляемых двигателях силовые ключи, как правило, одновременно являются элементами, выполняющими функции управления потоком энергии, подводимой к двигателю, также как силовые ключи при ШИМ-управлении коллекторным двигателем. При нереверсивном питании двигателя они выполняются по известным схемам транзисторных ключей с учетом напряжения первичного источника питания и максимального тока двигателя. Поскольку управление СК осуществляется непосредственно сигналами с выхода ПЛ, которые строятся на основе типовых микросхем, реализующих некоторые логические функции, вход ключей должен быть согласован с выходом этого устройства, т.е. чаще всего должен содержать предварительный каскад усиления входного сигнала. В дальнейшем будем считать, что СК открывается сигналом, соответствующим логической единице с выхода ПЛ. В схеме СК должны быть предусмотрены мероприятия по отводу реактивной энергии секций после его закрытия. Это могут быть диоды обратной по отношению к выходному транзистору полярности, подключенные к конденсатору или стабилитрону.


Рис. 5.9. Функциональная схема ПК

При реверсивном питании секций узел СК может быть выполнен в виде классического инвертора напряжения или тока с числом фаз, равным числу секций двигателя.

Узел логических преобразователей включает три функциональных элемента (рис. 5.10). Два из них: формирователь сигналов управления ключами СК (ФСУ) и устройство реверса (УР) реализуют некоторые логические функции, которые мы рассмотрим ниже. При этом ФСУ по сигналам с ФС формирует импульсы заданной угловой длительности отпирания ключей СК, а УР реализует операцию реверса. Как он осуществляется также будет показано ниже.

Устройство регулирования мощности (УРМ) чаще всего включает в себя ШИМ-модулятор, который по сигналам управления двигателем (xу) формирует последовательность импульсов, скважность которых зависит от модуля xу. Эта последовательность, поступая на ФСУ, осуществляет ШИМ-регулирование напряжения на секциях ЭМП.

Полупроводниковый коммутатор включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока предназначен для использования в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей. Устройство снабжено двумя полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока. В качестве первого полупроводникового ключа использованы первый и второй динисторы, а в качестве второго полупроводникового ключа использованы третий и четвертый динисторы. Анод первого динистора и катод второго динистора объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока. Катод первого динистора и анод второго динистора объединены и подключены к началу второй обмотки, конец которой подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Анод третьего динистора и катод четвертого динистора объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока. Катод третьего динистора и анод четвертого динистора объединены и соединены с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Начало второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к первому полупроводниковому ключу, а конец второй обмотки 4 трехфазного асинхронного двигателя подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Начало третьей обмотки 5 трехфазного асинхронного двигателя подключено к нулю однофазной сети переменного тока, а конец третьей обмотки 5 трехфазного асинхронного двигателя подключен ко второму полупроводниковому ключу. Значительно повышается надежность и снижаются габариты устройства с повышением его экономичности, при использовании для механизмов, не требующих реверса и регулировки скорости, а требующих только запуска и работы.

Полезная модель относится к реверсивным полупроводниковым коммутаторам, ведомым однофазной сетью переменного тока, и может быть использована в нерегулируемом электроприводе переменного тока для питания от однофазной сети трехфазных асинхронных двигателей.

Известно устройство питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи, осуществляющее питание от однофазной сети трехфазного асинхронного двигателя с обмотками, соединенными в звезду, в котором для получения вращающегося поля статора одна обмотка трехфазного асинхронного двигателя подключена к однофазной сети через конденсатор, а две другие обмотки - напрямую к однофазной сети (Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высших технических учебных заведений / А.И. Вольдек. - Л.: Энергия, 1974. - С. 612, рис. 30-7).

Основными недостатками описанного устройства питания трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети с использованием конденсаторного сдвига в статорной цепи является необходимость использования бумажных конденсаторов большой емкости, в результате чего момент двигателя обычно уменьшается в три раза, мощность двигателя падает до 40% от номинальной.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является однофазно-трехфазный транзисторный реверсивный коммутатор, осуществляющий питание трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети переменного тока с обеспечением реверса, содержащий два полупроводниковых ключа, подключающие обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной питающей сети переменного тока. Начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а конец первой обмотки подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Начало второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к нулю однофазной сети переменного тока, а конец второй обмотки подключен к первому полупроводниковому ключу. Таким образом, вторая обмотка подключена к первому полупроводниковому ключу и к нулю однофазной сети переменного тока. Начало третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к нулю однофазной сети переменного тока, а конец третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключен к второму полупроводниковому ключу. В качестве полупроводниковых ключей использованы два полевых транзистора. Первые выводы полевых транзисторов соединены с фазой однофазной сети переменного тока. Второй вывод первого полевого транзистора соединен с концом второй обмотки трехфазного асинхронного двигателя. Второй вывод второго полевого транзистора соединен с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя (патент RU 121976, МПК Н02Р 27/16 (2006.01)).

Основными недостатками описанного однофазно-трехфазного транзисторного реверсивного коммутатора, ведомого однофазной сетью, являются пониженная надежность, увеличенные габариты и высокая стоимость, обусловленные необходимостью заданного управления полупроводниковыми ключами на полевых транзисторах, основанного на дополнительном оборудовании, состоящим из стабилизированного источника питания и программируемого логического устройства, предпочтительно при использовании устройства для механизмов, не требующих реверса и регулировки скорости, а требующих только запуска и работы.

Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения надежности и снижения габаритов устройства с повышением его экономичности, при использовании для механизмов, не требующих реверса и регулировки скорости, а требующих только запуска и работы.

Для решения поставленной задачи в полупроводниковом коммутаторе включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока, снабженном двумя полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока, причем начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец подключен к нулю однофазной сети переменного тока, вторая обмотка подключена к первому полупроводниковому ключу, соединенному с фазой, и к нулю однофазной сети переменного тока, начало третьей обмотки подключено к нулю однофазной сети переменного тока, второй полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя, согласно полезной модели в качестве первого полупроводникового ключа использованы первый и второй динисторы, а в качестве второго полупроводникового ключа использованы третий и четвертый динисторы. Анод первого динистора и катод второго динистора объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока. Катод первого динистора и анод второго динистора объединены и подключены к началу второй обмотки, конец которой подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Анод третьего динистора и катод четвертого динистора объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока. Катод третьего динистора и анод четвертого динистора объединены и соединены с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя.

Введение динисторов вместо полевых транзисторов приводит к отсутствию необходимости использования системы управления полупроводниковыми ключами и способствует обеспечению возможности повышения надежности, снижения габаритов и повышения экономичности полупроводникового коммутатора включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока. Исключение системы управления полупроводниковыми ключами обусловлено использованием свойства динистора при прямом включении не пропускать ток до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет определенной величины; такое свойство динистора связанно с тем, что динистор является не управляющим тиристором, и у него нет третьего управляющего вывода при использовании для механизмов, не требующих реверса и регулировки скорости, а требующих только запуска и работы.

Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема полупроводникового коммутатора включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока; на фиг. 2 - векторная диаграмма кругового вращающегося поля статора двигателя, которое состоит из шести фиксированных положений магнитного потока; на фиг. 3 - направления магнитного потока и протекающего тока по обмоткам статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2; на фиг. 4 - пофазное изменение напряжения в обмотках статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, изображенной на фиг. 2.

Кроме того, на чертежах изображено следующее:

- С1-С6 - выводы статорных обмоток трехфазного асинхронного двигателя;

- I, II, III, IV, V, VI - последовательные фиксированные положения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;

- прямые линии со стрелками рядом с цифрами I, II, III, IV, V, VI - направления вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя;

- Uсети=f(t) - изменение питающего напряжения во времени;

- прямые линии со стрелками вдоль обмоток статора двигателя - направления магнитного потока и тока в обмотках статора;

t1-t10 - моменты времени коммутации транзисторов.

Полупроводниковый коммутатор включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока содержит первый полупроводниковый ключ 1 и второй полупроводниковый ключ 2, подключающие первую обмотку 3, вторую обмотку 4, третью обмотку 5 трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока.

Начало 6 (Cl) первой обмотки 3 трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а конец 7 (С2) первой обмотки 3 трехфазного асинхронного двигателя подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Начало 8 (С3) второй обмотки 4 трехфазного асинхронного двигателя подключено к первому полупроводниковому ключу 1, а конец 9 (С4) второй обмотки 4 трехфазного асинхронного двигателя подключен к нулю однофазной сети переменного тока. Начало 10 (С5) третьей обмотки 5 трехфазного асинхронного двигателя подключено к нулю однофазной сети переменного тока, а конец 11 (С6) третьей обмотки 5 трехфазного асинхронного двигателя подключен ко второму полупроводниковому ключу 2.

В качестве первого полупроводникового ключа 1 использованы первый динистор 12 (VS1) и второй динистор 13 (VS2). Анод первого динистора 12 (VS1) и катод второго динистора 13 (VS2) объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока. Катод первого динистора 12 (VS1) и анод второго динистора 13 (VS2) объединены и подключены к началу 8 (С3) второй обмотки 4 трехфазного асинхронного двигателя. Таким образом, первый полупроводниковый ключ 1 соединен с фазой однофазной сети переменного тока и началом 8 (С3) второй обмотки 4 трехфазного асинхронного двигателя.

В качестве второго полупроводникового ключа 2 использованы третий динистор 14 (VS3) и четвертый динистор 15 (VS4). Анод третьего динистора 14 (VS3) и катод четвертого динистора 15 (VS4) объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока. Катод третьего динистора 14 (VS3) и анод четвертого динистора 15 (VS4) объединены и соединены с концом 11 (С6) третьей обмотки 5 трехфазного асинхронного двигателя. Таким образом, второй полупроводниковый ключ 2 соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом 11 (С6) третьей обмотки 5 трехфазного асинхронного двигателя.

Динисторы 12 (VS1) и 13 (VS2) устанавливаются на напряжение более высокое по отношению к динисторам 14 (VS3) и 15 (VS4).

Работа полупроводникового коммутатора включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока, происходит следующим образом. Векторно-алгоритмическое управление осуществляется срабатыванием динисторов в определенной последовательности. Для обеспечения вращения вектора магнитного потока кругового вращающегося поля статора двигателя в соответствии с векторной диаграммой, показанной на фиг.2 в последовательности I-II-III-IV-V-VI, необходимо, чтобы динисторы 12 (VS1) и 14 (VS3) срабатывали на более низком напряжении, чем динисторы 13 (VS2) и 15 (VS4). Тогда динисторы 12 (VS1), 13 (VS2), 14 (VS3), 15 (VS4) будут срабатывать в следующей последовательности:

- в начальный момент времени положительная полуволна напряжения проходит по первой обмотке 3 - I фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в момент времени t1 срабатывает динистор 14 (VS3), и начинает протекать ток по третьей обмотке 5, при этом ток протекает в первой обмотке 3 - II фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в момент времени t2 срабатывает динистор 12 (VS1), и начинает протекать ток по второй обмотке 4, при этом ток протекает в первой обмотке 3 и в третьей обмотке 5 - III фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в момент времени t4 отрицательная полуволна напряжения проходит по первой обмотке 3, динистор 12 (VS1) и динистор 14 (VS3) закрыты - IV фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в момент времени t5 срабатывает динистор 15 (VS4) - V фиксированное положение вектора магнитного потока поля статора;

- в момент времени t6 срабатывает динистор 13 (VS2) - VI фиксированное положение вектор магнитного потока поля статора.

Таким образом, на основании изложенного можно сделать вывод о том, что предлагаемая полезная модель имеет преимущества по сравнению с известной из-за отсутствия необходимости управления полупроводниковыми ключами и как следствие более высоких показателей надежности и экономичности, а также меньших габаритов. Поэтому предлагаемое устройство предпочтительно использовать для механизмов, не требующих реверса и регулировки скорости, а только запуска и работы.

Полупроводниковый коммутатор включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть переменного тока, снабженный двумя полупроводниковыми ключами, подключающими обмотки трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети переменного тока, причем начало первой обмотки трехфазного асинхронного двигателя подключено к фазе, а ее конец подключен к нулю однофазной сети переменного тока, вторая обмотка подключена к первому полупроводниковому ключу, соединенному с фазой, и к нулю однофазной сети переменного тока, начало третьей обмотки подключено к нулю однофазной сети переменного тока, второй полупроводниковый ключ соединен с фазой однофазной сети переменного тока и концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя, отличающийся тем, что в качестве первого полупроводникового ключа использованы первый и второй динисторы, а в качестве второго полупроводникового ключа использованы третий и четвертый динисторы, анод первого динистора и катод второго динистора объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока, катод первого динистора и анод второго динистора объединены и подключены к началу второй обмотки, конец которой подключен к нулю однофазной сети переменного тока, анод третьего динистора и катод четвертого динистора объединены и подключены к фазе однофазной сети переменного тока, катод третьего динистора и анод четвертого динистора объединены и соединены с концом третьей обмотки трехфазного асинхронного двигателя.

В последнее время рядом фирм, выпускающих электронные приборы для аиации и других ответственных применений, был освоен новый класс приборов — так называемых твердотельных контроллеров нагрузки. Отечественные приборостроительные фирмы, выпускающие системы управления мощными нагрузками, также испытывают потребность в таких приборах, особенно для военных применений. В связи с этим разработана и производится серия приборов ТКН1 аналогичного назначения как специального, так и общепромышленного исполнения.

Развитие микропроцессорной техники позволило создать совершенные и эффективные системы управления для исполнительных устройств любых типов. При этом управление самой нагрузкой, осуществляемое коммутацией тех или иных силовых цепей, не претерпело никаких изменений. Для этих целей используются либо электромеханические реле, либо ключи на дискретных транзисторах с громоздкими схемами согласования с микропроцессорной системой управления на базе оптронных или трансформаторных развязок. Для решения этой проблемы рядом фирм были предложены специальные приборы, так называемые твердотельные реле (solid state relay), объединяющие в себе оптронную развязку и силовой коммутирующий элемент на базе биполярных, полевых транзисторов или тиристоров. Эти приборы существенно упростили согласование маломощных и низковольтных выходных цепей микропроцессорных систем и мощных высоковольтных силовых цепей. Обладая, как и электромеханические реле, низким быстродействием, эти приборы не позволяли контролировать состояние нагрузки и осуществлять управление ею, обеспечивая надежную, безотказную работу. Как и прежде, для этого необходимо было оснащать нагрузку различными датчиками (токовыми, температурными и т. д.) и строить внешнюю систему, обеспечивающую управление в критических или аварийных ситуациях, защищающую ее от перегрузок, КЗ, перегрева и т. д. В связи с этим в последнее время рядом фирм, выпускающих электронные приборы для авиации и других ответственных применений, был освоен новый класс приборов — так называемых твердотельных контроллеров нагрузки (solid state power controller). В отличие от электромеханических и твердотельных реле эти приборы обладают высоким быстродействием, позволяют контролировать процессы, происходящие в нагрузке (область безопасной работы, температурный режим), и собственное состояние, а также выдавать соответствующие статусные сигналы в систему управления. Эти свойства приборов позволяют осуществлять надежное управление любой нагрузкой без применения дополнительных элементов схемы.

Номенклатура выпускаемых зарубежными фирмами контроллеров представлена в таблице 1.

Таблица 1. Твердотельные контроллеры нагрузки зарубежных фирм


Эти приборы предназначены для использования в технике военного назначения, однако выпускаются также и приборы коммерческого общетехнического назначения. И те и другие приборы изготавливаются в специальных металлостеклянных корпусах и представляют собой гибридные микросборки высокой сложности, содержащие до ста активных и пассивных элементов (цифровые и аналоговые микросхемы, транзисторы, стабилитроны, диоды, резисторы, емкости, оптронные узлы и другие компоненты). Отечественные приборостроительные фирмы, выпускающие системы управления мощными нагрузками, также испытывают потребность в таких приборах, особенно для военных применений. В связи с этим разработана и производится серия приборов ТКН1 аналогичного назначения как специального, так и общепромышленного исполнения.


Серия ТКН1 разработана для применения в системах авиационной автоматики и предназначена для замены электромагнитных и твердотельных реле на токи от 2 до 30 А в сетях с номинальным напряжением +27 В. В отличие от заменяемых устройств они имеют статусные выходы состояния самого контроллера и нагрузки и могут монтироваться непосредственно на нагрузке, реализуя концепцию распределенной системы управления. В серию ТКН1 входят приборы на 2, 10, 20 и 30 А, полностью функционально идентичные и отличающиеся только максимальной величиной коммутируемого тока. Таким образом, для каждого типа нагрузки можно подобрать наиболее соответствующий ее режиму работы прибор. Все управляющие сигналы полностью изолированы (оптические и трансформаторные развязки) от силовой цепи. Ключевой элемент контроллеров выполнен на мощных полевых транзисторах с ультранизким сопротивлением канала в открытом состоянии (2,5–10 мОм). Это позволяет обеспечивать малое падение напряжения во включенном состоянии и малую рассеиваемую мощность, а также предельно малые токи утечки в закрытом состоянии.

Конструктивно прибор выполнен в виде микросборки с применением тонко- и толстопленочной технологии и имеет малые размеры (36×45×13 мм) и высокую надежность. Схема контроллера в реальном времени обеспечивает необходимый уровень тока, протекающего через нагрузку, и сигнализирует о нормальной или аварийной работе нагрузки, отключая ее в критических режимах за очень короткое время (менее 5 мкс).

Встроенная схема самоконтроля отслеживает состояние самого контроллера (силового элемента, цепей питания и т. д.) также отключая нагрузку в аварийных ситуациях.

Структурная схема ТКН состоит из следующих блоков: входные цепи для согласования с системой управления, выполненные на КМОП-логике и оптронных схемах, схема формирования внутреннего питания контроллера (±15 В), выполненная на DC/DC-преобразователе с трансформаторной развязкой, схема формирования статусных сигналов, выполненная на оптронных схемах высокого быстродействия с ТТЛ-совместимыми уровнями выходных сигналов, схема формирования сигналов управления затворами полевых транзисторов и схема контроля и защиты, обеспечивающая контроль уровня тока в нагрузке и формирование необходимой токовременной характеристики работы контроллера, а также силовой блок, содержащий ряд включенных параллельно полевых транзисторов, токоизмерительный шунт малого сопротивления (менее 1 мОм), термодатчик и ограничитель напряжения.

Схема контроллера выполнена так, что нагрузка может включаться как к истоку, так и к стоку полевого транзистора. Для защиты от возможных перенапряжений предусмотрена схема ограничения напряжения на силовом элементе. Питание контроллера может быть любым от +4,5 В до напряжения силовой цепи (+27 В). Напряжение изоляции управляющих и силовых цепей не менее 1000 В. Частота коммутации нагрузки до 100 кГц. Также прибор позволяет контролировать температуру силового элемента.


Время срабатывания защиты в контроллере зависит от уровня тока, протекающего через нагрузку. Чем больше будет уровень тока перегрузки, тем быстрее отключится нагрузка. Так, при перегрузке в 1,5 Iном время срабатывания защиты составит 3 мс, при перегрузке 3 Iном — 30 мкс, а при перегрузке 10 Iном — 10 мкс. Время включения-выключения силового элемента при этом около 1 мкс. Контроллер обеспечивает формирование статусных сигналов (схема с открытым коллектором с напряжением до 15 В), сочетание которых дает информацию о режиме работы контроллера и нагрузки (протекание тока через нагрузку, уровень тока в нагрузке, авария в нагрузке, неисправность силового элемента, перегрев силового элемента). Схема контроля за уровнем тока имеет 2 независимых канала управления затвором транзистора. Первый из них следит за режимами перегрузки, обеспечивая плавное отключение нагрузки в критических режимах, а второй отключает нагрузку, запирая выходной транзистор за очень короткое время в аварийных режимах (Iн > 10 Iном).

Контроллеры ТКН1 могут использоваться с любым типом нагрузки (как активной, так и реактивной) или любым сочетанием таких нагрузок (сопротивления, емкости, индуктивности) — моторы, лампы, соленоиды и т. д.

Следует отметить, что при срабатывании защиты и отключении нагрузки при помощи ТКН1 происходит нарастание напряжения, обусловленное индуктивностью проводов и самой нагрузки. Амплитуда этого напряжения прямо пропорциональна суммарной индуктивности нагрузки и проводов, а также скорости изменения выходного напряжения.


При расчете теплового режима работы контроллера следует также учитывать дополнительную мощность на коммутациях, которая может существенно превышать статическую мощность рассеяния.


Приборы общепромышленного применения изготавливаются в виде микромодулей, отличающихся от рассмотренных приборов только размерами и применяемой элементной базой.



В дальнейшем планируется развитие ряда приборов класса ТКН (как специальных, так и общепромышленных) по следующим направлениям:

  • обеспечить возможность коммутации постоянного напряжения в линиях с применением полевых и IGBT-транзисторов с предельным допустимым напряжением до 600 В;
  • обеспечить возможность коммутации линий с двуполярным напряжением как синусоидальной, так и произвольной формы на силовых элементах, аналогичных перечисленным в предыдущем пункте;
  • для коммутации нагрузок малой мощности разработан прибор с сокращенными контрольными функциями и полной защитой;
  • обеспечение возможности коммутации больших токов до 200 А для всех типов сети (постоянного тока, разнополярной, переменного тока) с полными функциями защиты и контроля.

Кроме того, во всех типах приборов предусматривается возможность исполнения вариантов приборов с параметрами, определяемыми потребителями:

Читайте также: