Характеристика полупроводниковых логических элементов, применяемых в электрических аппаратах

Полупроводниковые электрические аппараты (ПЭА) представляют собой одно из развивающихся направлений в электроаппаратостроении, которое базируется на современных достижениях в области силовых полупроводниковых приборов (СПП), радиоэлектронной аппаратуры и систем автоматики. Принцип действия этих аппаратов основан на использовании ключевых характеристик СПП, т. е. способности их находиться в двух устойчивых состояниях (проводящем и непроводящем) и быстро переходить из одного состояния в другое по команде или параметрически. В последнем случае изменение состояния происходит при равенстве токов или напряжений на СПП пороговым для них значениям.

К наиболее важным характеристикам СПП следует отнести способность осуществления бездуговой коммутации электрических цепей, высокие быстродействие и надежность, повышенный срок службы. Именно эти свойства и достигнутый высокий уровень параметров СПП по току и напряжению определили целесообразность создания не только слаботочных, но и сильноточных ПЭА различного назначения.

Полупроводниковые аппараты являются статическими устройствами. В них отсутствуют подвижные части, включая размыкаемые контакты и детали механизмов. Важным свойством полупроводниковых аппаратов является многофункциональность. Без изменения структуры силовой части они способны совмещать в себе функции коммутирования и быстродействующей защиты цепей, регулирования напряжения и тока, формирования импульсов напряжения и тока с заданными параметрами, мгновенную готовность к срабатыванию, в том числе и при автоматическом повторном включении (АПВ), стабильность характеристик при эксплуатации в сложных климатических условиях и при воздействии механических факторов, возможность использования в сетях различного назначения при замене СПП на другие типы или при изменении класса их по напряжению, технологичность конструкции, высокую надежность, практически не зависящую от обслуживания.

Недостатки:

1) В отличие от контактных аппаратов полупроводниковые аппараты способны выдерживать значительно меньшие перегрузки по току (как по амплитуде тока, так и по длительности его воздействия). Это объясняется малой теплоемкостью СПП.

2) Полупроводниковые аппараты очень чувствительны даже к кратковременным перенапряжениям и скорости приложения напряжения. Поэтому необходимо принимать меры, обеспечивающие надежную защиту полупроводниковых блоков от коммутационных и внешних перенапряжений.

3) Существенным недостатком ПЭА являются большие потери электрической энергии и выделение большого количества теплоты. В основном потери сосредоточены в зоне структур СПП.

4) К другим недостаткам полупроводниковых аппаратов относятся существование граничных токов, ниже которых невозможно удержание во включенном состоянии, и наличие достаточно больших (десятки миллиампер) токов утечки при отключенном состоянии.

6. Нагрев электрических аппаратов.

Источники тепловой энергии в электрических аппаратах:

1)Нагрев проводников с током, обычно он называется нагревом методом электрического сопротивления. Закон Джоуля - Ленца гласит, что в любом теле, обладающем электрическим сопротивлением, выделяется тепловая энергия пропорциональная квадрату тока, сопротивления электрического тела и времени протекания тока. -На постоянном токе, -На переменном токе. Данная энергия идет на нагрев самого аппарата (токоведущих частей), нагрев прилегающих материалов и нагрев окружающей среды по законам теплопередачи (теплопроводности, конвекции и теплового излучения).

2)Энергия, выделяющаяся в деталях их ферромагнитных материалов (в нетоковедущих частях).

1. Магнитопроводы, предназначенные для усиления магнитного поля, создаваемого проводником с током. Причина нагрева: Рассмотрим элемент магнитопровода. Под действием этой ЭДС появляется ток, который называется вихревым, такого направления при котором создаваемые им магнитные потоки противодействуют изменению основного магнитного потока (правило Ленца). При протекании вихревых токов по магнитопроводу согласно закону Джоуля - Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепловую. Для уменьшения потерь данного вида магнитопроводы выполняются шифтованными из пластин электротехнической стали толщиной 0,2 ÷ 0,5 мм, тщательно изолированных друг от друга. Этим самым исключается контур протекания вихревого тока.

2. Потери в конструкциях аппарата. Выделение энергии в стали происходит по той же схеме, что и в магнитопроводе.

Для снижения потерь используются следующие мероприятия: а ) Введение немагнитных зазоров на пути магнитного потока. б ) За счет надевания на стальные конструкции коротко замкнутого витка с малым активным сопротивлением. При этом в нем индуцируется ЭДС, протекает ток, от которого возникают магнитные потоки, направленные встречно основному. в )При токах выше 1000 А не должно быть стальных деталей, а все детали должны быть изготовлены из немагнитных материалов (алюминий, бронза, немагнитные чугуны, пластмассы). 3)Выделение энергии в диэлектрике. Появление дефектов в отдельных местах изоляции возникает местное тепловое выделения, которые способны вызвать тепловой пробой изоляции (изоляция обугливается и становится проводящей). 4)Другие виды источников теплоты в электрических аппаратах: а)Энергия выделяемая в электрических дугах. У коммутационных аппаратов особенно при частых включениях, отключениях. б) При трении между собой отдельных элементов электрических аппаратов. Нагрев электрических аппаратов вызывает ускоренное старение изоляции и повышает скорость окисления электрических контактов, что в конечном итоге снижает срок службы электрического аппарата.