Основні теоретичні положення

Напівпровідникові електричні апарати (НЕА) являють собою один з напрямків, що розвивається, в електроапаратобудуванні. В основу цих апаратів покладені силові напівпровідникові прилади (СНП) – тиристори або транзистори. На основі СНП виконуються комутаційні (пускачі), захисні апарати постійного і змінного струму низької та високої напруги, регулятори з широким діапазоном зміни струму і напруг.

Переваги безконтактних апаратів у порівнянні з електромагнітними контактними апаратами:

1. Виключено багато небажаних явищ: механічний знос контактів і інших рухливих частин, вібрація, обгорання і зварювання контактів, підвищений шум при комутаційних операціях і викид розпечених газів;

2. Можливості НЕА по частоті спрацьовування необмежені (десятки і навіть сотні тисяч раз у годину);

3. Багатофункціональність. Без зміни структури силової частини здатні суміщати функції комутування, швидкодіючого захисту, регулювання напруги і струму та ін.;

4. Здатність здійснення бездугової комутації, високі швидкодія і надійність, підвищений термін служби;

5. Стабільність характеристик при експлуатації в складних кліматичних умовах і при впливі механічних факторів.

Недоліки НЕА:

1. На відміну від контактних апаратів здатні витримувати значно менші перевантаження за струмом у зв'язку з низькою теплостійкістю кремнієвих структур СНП;

2. Дуже чутливі до короткочасних перенапруг і швидкості прикладення напруги;

3. Великі втрати електричної енергії і як наслідок – виділення великої кількості теплоти;

4. Існують граничні струми, нижче яких неможливе утримання у включеному стані СНП і наявність достатньо великих (десятки міліамперів) струмів втечі у відключеному стані;

5. Високі масогабаритні показники і вартість.

За принципом дії НЕА поділяються:

1. Апарати з природною комутацією. Призначені для роботи у мережах змінного струму. Використовується у всіх НЕА, призначених для комутації: контакторах, пускачах, перемикачах, вимикачах навантаження і т.д.;

2. Апарати зі штучною комутацією. У цю групу входять всі апарати постійного струму і захисні апарати змінного струму (пристрої автоматичного включення резерву (АВР), апарати захисту від перенапруг і низьких напруг та ін.);

3. Комбіновані апарати. Процес відключення кола протікає в два етапи. Протягом першого етапу здійснюється примусовий перехід струму з контактного ланцюга в паралельно з'єднаний з ним напівпровідниковий ланцюг. На другому – відбувається переривання струму напівпровідниковою частиною апарата з використанням, як правило, принципу природної комутації;

4. Апарати з фазовим регулювання. Виконують функцію регулювання вихідної потужності.

Апарати постійного струму

Перемикання тиристора в провідний стан здійснюється подачею не його вхід керуючого сигналу з визначеною тривалістю та амплітудою. Після зняття імпульсу він залишається включеним необмежено довго, якщо струм в анодному колі його не знижується до величини, меншої струму утримання I_утр. Тому для комутування кіл постійного струму прибігають до штучних мір (штучної комутації), що забезпечує короткочасне переривання струму в анодному колі або зменшення його до значень I_А<I_утр. Це реалізується за допомогою схем п риведених на рис. 8.1.

Відключення струму навантаження на рис. 8.1,а здійснюється розмиканням механічного контакту S1, включеного послідовно з VS. Після закінчення часу, достатнього для відновлення керованості VS, контакт S1 замикається. Аналогічно схема працює при короткочасному шунтуванні VS контактом S2. Контакти S1 і S2 повинні бути розраховані на повний струм навантаження. Недолік схеми – VS при поверненні контактів у вихідний стан піддаються впливу прямої напруги з високим значенням du/dt, що може викликати пробій тиристора.

Цього недоліку позбавлена схема на рис.8.1,б. При включенні тиристора VS, через нього одночасно зі струмом навантаження протікає струм зарядки конденсатора С_к. Він заряджається з зазначеною на рисунку полярністю за час, обумовлений постійної часу ланцюга τ = p₁С_к. При відключенні кола і наступному замиканні S1, конденсатор С_к підключається паралельно тиристору. Він розряджається. Струм розрядки I_с протікає через тиристор у напрямку, протилежному анодному струму. Коли I_с >I_А, створюються умови для включення VS. Цей спосіб називається примусовим ємнісним, є кращим тому, що дозволяє зменшити час відновлення керованості тиристора і швидкість прикладення напруги в прямому напрямку безпосередньо після комутації струму.

На схемі рис.8.1,в конденсатор С_к у вихідному стані заряджений до напруги джерела живлення. При вимиканні VS, через нього протікає струм навантаження і струм розрядки конденсатора. На другому напівперіоді коливального перезарядження конденсатора, коли I_с спрямований зустрічно I_А, він стає більше I_А, тиристор виключається. Починаючи з того моменту часу остаточна напруга на конденсаторі С_к діє в тому ж напрямку, що і напруга джерела живлення, тому струм навантаження різко збільшується, а потім знижується в міру перезарядження конденсатора. Остаточне переривання струму в колі відбувається в наступний момент часу, що відповідає закінченню перезарядження конденсатора.

Пристрій на рис.8.1,в поряд з перериванням струму в колі формує імпульси струму (потужності). Це використовується для регулювання вихідної потужності за заданою програмою, що задається системою керування тиристорами.