Основные тенденции инновационного развития коммутационных гибридных аппаратов нового поколения

УДК 621.316.5

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ИННОВАЦИОННОГО РАЗВИТИЯ КОММУТАЦИОННЫХ ГИБРИДНЫХ АППАРАТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

MAIN TRENDS OF INNOVATIVE DEVELOPMENT OF NEW GENERATION HYBRID SWITCHGEARS

А. А. Григорьев1, М. А. Ваткина2, В. А. Филиппов1

A. A. Grigoryev1, M. A. Vatkina2, V. A. Filippov1

гФГБОУВПО «Чувашский государственный педагогический университет им. И. Я. Яковлева», г. Чебоксары,

2ОАО «ВНИИР-Прогресс», г. Чебоксары

Аннотация. Рассмотрены тенденции инновационного развития коммутационных гибридных аппаратов нового поколения. Определены пути разработки перспективных гибридных аппаратов с последовательным включением главных контактов и силовых полупроводниковых приборов.

Abstract. The main trends of innovative development of new generation hybrid switchgears are considered. The ways of development of promising hybrid switchgears with series main contactor and power semiconductors are determined.

Ключевые слова: гибридный аппарат, бездуговая коммутация, силовой полупроводниковый прибор.

Keywords: hybrid switchgear, arcless commutation, power semiconductor.

Актуальность исследуемой проблемы. В последние годы во всех отраслях промышленности с возрастающей остротой ставится проблема необходимости замены устаревшего электрооборудования, а именно традиционных электромеханических аппаратов на коммутационно-защитные аппараты нового поколения, обладающие более высокими технико-экономическими показателями.

Основные причины нарушения коммутационной способности электрических аппаратов, работающих в условиях образования стабильной дуги на контактах, - эрозия, коррозия и сваривание. Наличие дуги и быстрый износ контактов, выполняемых из меди, серебра или остродефицитных сплавов, делает контактные аппараты малонадежными в эксплуатации. Кроме того, электрическая дуга не позволяет применять указанные аппараты в условиях космоса, повышенной пожаро- и взрывоопасности. Проблема устранения дуги из процесса коммутации, создание высокоэффективных коммутационно-защитных аппаратов нового поколения отвечает повышающимся требованиям современного элек-троаппаратостроения в отношении электрооборудования, рассчитанного на коммутацию токов в несколько десятков и сотен ампер.

В настоящее время подавляющее большинство коммутационных аппаратов низкого напряжения являются контактными, и главными проблемами для них остаются проблемы дугогашения и повышения коммутационной износостойкости контактов. От эффективности гашения электрической дуги, длительности ее горения во многом зависит износ контактов, их переходное сопротивление, долговечность и надежность работы коммутационных аппаратов. Надежная работа электрооборудования в значительной степени определяется качественными показателями коммутационных аппаратов [5].

Радикальным решением всех этих проблем является устранение электрической дуги из процесса коммутации на основе современных технологий. Поиск путей решения возникшей проблемы у нас в стране и за рубежом привел к использованию возможностей силовой полупроводниковой электроники, позволяющей качественно изменить характеристики коммутационно-защитных аппаратов и придать им новые функции и свойства [12].

Объединение контактных и бесконтактных коммутационных аппаратов, совмещающих положительные свойства тех и других, привело к созданию принципиально нового электрического аппарата - так называемого гибридного аппарата (ГА). В таких аппаратах практически полностью устраняется электрическая дуга на контактах, снижаются массогабаритные показатели благодаря исключению громоздких дугогасительных устройств, снижаются тепловые потери, повышаются износостойкость, надежность и долговечность [13].

Актуальность работ по данной тематике определило, с одной стороны, создание управляемого ГА нового поколения, способного работать с заданным, близким к оптимальному, законом коммутации [6], а с другой стороны - получение возможности в перспективе более широкого внедрения в космическую, авиационную и автомобильную технику этого инновационного направления [4].

Одним из путей совершенствования контактных коммутационных аппаратов является ограничение или полное устранение дугообразования на главных контактах с помощью силовых полупроводниковых приборов, используемых в ГА. В этой связи значительное снижение содержания серебра в контактах электрических аппаратов может быть достигнуто при переходе от традиционных решений дугогашения к инновационным принципам бездуговой коммутации [2].

Компромиссным вариантом, сочетающим преимущества электромеханических и бесконтактных (статических) аппаратов, явилось создание принципиально новых ГА [3]. Разработки на первом этапе развились в направлении комбинированного объединения двух аппаратов. Основной целью этих разработок было повышение ресурса коммутационных аппаратов за счет ограничения или исключения процесса дугообразования.

На этой основе создана целая серия ГА переменного тока. Наиболее известными в этой области являются работы Г. В. Могилевского [7]. В качестве базового контактного аппарата были использованы контакторы, а полупроводниковая схема построена на основе тиристоров и измерительных трансформаторов.

С момента изобретения первого гибридного аппарата прошло полвека. Floris Кор-ре1тапп в 1960 году запатентовал самый простой гибридный контактор на диодах [11].

Однако только в настоящее время ГА приобретают перспективное значимое направление, практическое применение и инновационное развитие [4].

Материал и методика исследований. Целью настоящей работы является комплексное исследование проблем, обеспечивающих создание качественно новых ГА.

В изобретении [1] заявлен алгоритм работы с заранее заданным законом коммутации силового полупроводникового прибора (СПП) (2) с главными контактами (ГК) первой (1) и второй (3) пары дистанционного переключателя серии ДП1 (8) с целью обеспечения бездуговой коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока (рис. 1).

Приведена схема ГА для бездуговой коммутации при последовательнопараллельном соединении СПП и ГК.

Рис. 1. Электрическая схема ГА для бездуговой коммутации электрической цепи при последовательно-параллельном соединении СПП и ГК

По команде на включение привод (8) замыкает первоначально первую пару контактов (1), при этом одновременно происходит воздействие на датчик (6), который срабатывает и включает СПП (2), после чего замыкается вторая пара контактов (3), вследствие чего обеспечивается бездуговое замыкание пар контактов. При подаче команды отключения вся последовательность операций происходит в обратном порядке: привод (8) размыкает сначала вторую пару контактов (3) с выдержкой времени на размыкание, затем первую пару контактов (1), также с выдержкой времени. В интервале времени между размыканием пар контактов срабатывает датчик (6) и включается СПП (2), обеспечивая бездуговое размыкание пар контактов, что облегчает создание ГА, работающего с заданным законом коммутации [6].

Результаты исследований и их обсуждение. Поиск инновационных путей при переходе от традиционных решений дугогашения ГА к новым принципам бездуговой коммутации привел к использованию возможностей силовой электроники - на принципе использования силовых транзисторов, реализованном в изобретении [8], в котором заявлен бездуговой ГА, работающий с заданным, близким к оптимальному, законом коммутации, который заключается в том, что ГА, содержащий две пары контактов (1) и (2) с разными временами срабатывания, привод (3) указанных контактов, СПП (4), подключенный силовыми выводами через контакты первой пары (1) параллельно второй паре контактов (2), снабжен третьей парой контактов (9), вывод одной из контакт-деталей которой подключен к управляющему выводу указанного СПП, а вывод второй контакт-детали - к общей точке соединения выводов контакт-деталей первой и второй контактных пар. Причем третья контактная пара (9) расположена относительно первой (1) и второй (2) контактных пар таким образом, что ее замыкание обеспечивается после замыкания первой пары контактов (1), размыкание - после размыкания второй пары контактов (2), а СПП (4), в каче-

стве которого использован транзисторный модуль, выполнен в гибридном исполнении и расположен либо на одном из контактов или на его контактодержателе, либо на общем держателе контакт-деталей трех контактных пар, электрически изолированных друг от друга. При этом силовой транзисторный модуль выполнен с параллельно соединенными множествами транзисторных структур, что позволяет достичь практически нулевого падения напряжения, который можно встраивать в цепь ГК либо устанавливать непосредственно на самом контакте, как, например, в изобретении [10].

На рис. 2 приведена электрическая схема ГА с бездуговой коммутацией электрической цепи, в котором в качестве электромеханического аппарата использован дистанционный переключатель серии ДП1 (3), а в качестве СПП - силовой транзисторный модуль (4).

Использование модульного принципа построения позволяет создавать ГА с легко заменяемыми блоками, существенно расширяющими их функции. Данный принцип построения является перспективным направлением создания аппарата нового типа с бездуговой коммутацией, предназначенного для работы в автономных объектах повышенной надежности.

Изобретение [9] открыло возможность разработки управляемых коммутационнозащитных ГА нового поколения с последовательным включением нормально открытых СПП и ГК. Появление нормально открытых СПП, таких как SIT-транзисторы, на основе карбида кремния [12], имеющих низкое начальное сопротивление, незначительное падение напряжения в проводящем состоянии, высокие радиационную стойкость, пробивные напряжения и рабочую температуру, создало возможность разработки простых и надежных ГА с последовательным включением ГК и СПП.

На рис. 3 и 4 представлены варианты ГА для бездуговой коммутации электрической цепи по запатентованному техническому решению [9], в котором заявлен алгоритм оптимального закона бездуговой коммутации с управлением. ГА содержит подключенные к выводам (1) и (2) источник питания, последовательно соединенную нагрузку (3), выключаемый по управляющему электроду управляемый полупроводниковый ключ (4) и контакты (6).

Благодаря подключению управляющего электрода полупроводникового ключа к выводу контактов (рис. 3) или выводу, расположенному между двумя их разрывами (рис. 4), в рассматриваемом ГА, не нарушив необходимого для бездуговой коммутации последовательного соединения контактов с силовой цепью полупроводникового ключа, образовано новое (параллельное) соединение контактов (рис. 3) или одного из разрывов (рис. 4) с входной цепью выключаемого по управляющему электроду управ-

Рис. 2. Электрическая схема ГА с бездуговой коммутацией электрической цепи

ляемого полупроводникового ключа, посредством которого при размыкании обеспечивается автоматическое управление выключением открытого полупроводникового ключа. При этом в качестве открытого ключа используется либо нормально открытый полупроводниковый прибор, например, транзистор со статической индукцией (рис. 3), либо нормально закрытый двухоперационный полупроводниковый прибор, например, запираемый тиристор (рис. 4), снабженный цепью отпирающего прибор сигнала, выполненного на резисторе 5, контакты 6, выполненные с одним (рис. 3) или, с целью обеспечения в отключенном состоянии гальванической развязки нагрузки от источника питания, с двумя разрывами, например, мостикового типа (рис. 4), причем полупроводниковый ключ подсоединен к выводу контактов силовым электродом, который в совокупности с управляющим электродом образует входную цепь ключа.

Управляющий электрод полупроводникового ключа для варианта выполнения контактов с одним разрывом подключен к другому выводу контактов (рис. 3), а для варианта выполнения контактов мостикового типа с двумя разрывами - к выводу, расположенному между разрывами контактов (рис. 4).

Рис. 3. Электрическая схема ГА для бездуговой коммутации электрической цепи для варианта выполнения контактов с одним разрывом

Рис. 4. Электрическая схема ГА для бездуговой коммутации электрической цепи для варианта выполнения контактов с двумя разрывами

В таких ГА можно использовать одновременное прерывание тока ГК и СПП, в связи с этим схему управления СПП удается выполнить также предельно простой без применения дополнительных элементов, обеспечив только электрическую связь управляющего электрода СПП с одним из контактов.

Резюме. Полученные результаты позволяют создать управляемый бездугововой гибридный аппарат нового поколения, работающий с заданным, близким к оптимальному, законом коммутации.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. с. 1568097 СССР, МПК Н01Н 9/30. Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи / Григорьев А. А. ; заявл. 18.04.88 ; опубл. 30.05.90.

2. Ваткина, М. А Тенденции инновационного развития коммутационных гибридных аппаратов / М. А. Ваткина, С. А. Моисеев // Электроэнергетика и электромеханика : труды АЭН Чувашской Республики. - 2011. - № 1. - С. 34-38.

3. Григорьев, А. А. Основные тенденции инновационного развития коммутационных аппаратов низкого напряжения / А. А. Григорьев, М. А. Ваткина и др. // Инновационные технологии восстановления сборочных единиц и сервисного обслуживания автомобильного транспорта : сб. науч. ст. - Чебоксары : Чуваш. гос. пед. ун-т, 2011. - С. 101-110.

4. Григорьев, А. А. Перспективные направления инновационного развития коммутационных гибридных аппаратов нового поколения для бортовой аппаратуры автономных систем и комплексов / А. А. Григорьев, М. А. Ваткина // Использование инновационных технологий в сервисном обслуживании транспорта : сб. науч. ст. - Чебоксары : Чуваш. гос. пед. ун-т, 2012. - С. 17-32.

5. Лотоцкий, В. Л. Гибридная коммутация - важный фактор обеспечения надежности и повышенного ресурса электрооборудования / В. Л. Лотоцкий // Энергосбережение и водоподготовка. - 2002. - № 1. -С. 73-77.

6. Марактанов, В. А. О возможности создания выключателя, работающего с заданным законом коммутации / В. А. Марактанов, А. Д. Пивненко // Электротехническая промышленность. Аппараты низкого напряжения. - 1971. - № 7. - С. 7 - 8.

7. Могилевский, Г. В. Гибридные электрические аппараты низкого напряжения / Г. В. Могилевский. -М. : Энергоатомиздат, 1986. - 232 с.

8. Пат. 2050616 Российская Федерация, МПК H01H 9/30. Гибридный бездуговой аппарат / Григорьев А. А.; заявл. 26.05.92; опубл. 20.12.95.

9. Пат. 1721653 Российская Федерация, МПК H01H 9/30. Устройство для бездуговой коммутации электрической цепи / Плотников В. И., Виноградов А. Л., Григорьев А. А., Андрианов Б. А. ; заявл. 22.06.89 ; опубл. 23.03.92.

10. Пат. 0201248 ЕВП, МПК H01H 9/54. Controlled electrical contacts for electrical switchgear / Needham Eric. ; заявл. 29.04.85 ; опубл. 12.11.86.

11. Пат. 1108778 DE, МПК H01H 9/54; 9/56. Lichtbogenfreier Drehstromschalter / Koppelmann F. ; заявл. 08.01.1960 ; опубл. 15. 06 1961.

12. Флоренцев, С. Н. Силовая электроника начала тысячелетия / С. Н. Флоренцев // Электротехника. -2003. - № 6. - С. 3-9.

13. Электрические и электронные аппараты : учебник для вузов / под ред. Ю. К. Розанова. - М. : Энергоатомиздат, 1998. - 752 с.