CC BY
4
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 98(6)
Technical Sciences
Научная статья УДК 621.3.01/.09
Разработка концепции коммутационного полупроводникового аппарата
Анатолий Сергеевич Кизуров1, 2
1 Государственный аграрный университет Северного Зауралья, Тюмень, Россия
2 Тюменский индустриальный университет, Тюмень, Россия
Аннотация. В современных силовых электроустановках всё чаще появляются силовые полупроводниковые коммутационные приборы, которые используются как для коммутации (твердотельные реле), так и для регулирования (тиристорные регуляторы, частотные регуляторы, инверторы и т.д.). Основной ассортимент электрических аппаратов коммутации и защиты в силовых щитах составляют электромеханические устройства, такие, как автоматический выключатель, устройство защитного отключения, дифференциальный выключатель, контактор, электромагнитное реле и тому подобное. Современная полупроводниковая промышленность выпускает всё более современные полупроводниковые силовые ключи, которые в ближайшем будущем могут составить существенную конкуренцию электромеханическим коммутационным аппаратам. Предложена концепция универсальности коммутационных аппаратов, построенных на полупроводниковой компонентной базе.
Ключевые слова: электрические машины и аппараты, коммутация, полупроводниковый коммутационный аппарат, структура, концепция.
Для цитирования: Кизуров А.С. Разработка концепции коммутационного полупроводникового аппарата // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 6 (98). С. 141 - 143.
Original article
Development of the concept of a switching semiconductor device
Anatoly S. Kizurov1, 2
1 Northern Trans-Ural State Agricultural University, Tyumen, Russia
2 Industrial University of Tyumen, Tyumen, Russia
Abstract. In modem power electrical installations, power semiconductor switching devices are increasingly appearing, which are used both for switching (solid-state relays) and for regulation (thyristor controllers, frequency controllers, inverters, etc.). The main range of electrical switching and protection devices in power panels are electromechanical devices, such as an automatic switch, a residual current device, a differential switch, a contactor, an electromagnetic relay, and the like. The modern semiconductor industry produces more and more modern semiconductor power switches, which in the near future can compete with electromechanical switching devices. The concept of universality of switching devices built on a semiconductor component base is proposed.
Keywords: electrical machines and devices, switching, semiconductor switching device, structure, concept.
For citation: Kizurov A.S. Development of the concept of a switching semiconductor device. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 98(6): 141-143. (In Russ.).
Для преобразования электрической энергии в другие виды полезной энергии (тепло, свет, химическая реакция, механическая работа и т.д.) применяются различные электрические машины и аппараты. Работу электрических машин и аппаратов можно регулировать различными способами, начиная от обычной коммутации (вкл./выкл.) и заканчивая различными алгоритмами векторного управления с применением микропроцессорного оборудования. В любом случае управление электрическими машинами и аппаратами предусматривает изменение некоторых параметров электроэнергии, например, напряжение, сила тока, частота тока, скважность импульсов, продолжительность импульсов и т.д.
Наиболее распространёнными аппаратами регулирования режимов работы силовых машин и аппаратов являются коммутационные аппараты с механическими контактами. Механические и электромеханические коммутационные аппараты
с механическими контактами приобрели популярность по ряду причин, среди которых визуальная видимость разрыва цепи, простота конструкции, простота обеспечения гальванической развязки силовых цепей и цепей управления, простота изготовления, малое падение напряжения на контактах, малые потери энергии при высоких нагрузках, простота использования при построении примитивных схем управления [1 - 8].
К механическим и электромеханическим коммутационным аппаратам также относятся аппараты защиты, имеющие в своей конструкции датчики, первичные преобразователи, интегральные микросхемы и т.д., например, автоматический выключатель, устройство защитного отключения, дифференциальный выключатель, реле напряжения, реле тока и т.п.
Вместе с тем достижения современной полупроводниковой промышленности позволяют изготавливать полупроводниковые коммутацион-
Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 6 (98)
Технические науки
ные аппараты, обладающие критически низкими/ высокими сопротивлениями в открытом/закрытом состоянии, высокое быстродействие, ресурс наработки на отказ в миллионы коммутаций. Различные силовые ключи на базе транзисторов и тиристоров используются в цепях управления силовым оборудованием, например, в частотных регуляторах электроприводов, управляемые выпрямители тяговых установок и т.д.
Несмотря на неоспоримые преимущества полупроводниковых аппаратов над электромеханическими, последние перестают использоваться только в слаботочных высокотехнологичных системах. Потенциал современных силовых полупроводниковых аппаратов может прийти на смену электромеханическим контактам во всех сферах электротехники.
Материал и методы. В ходе изысканий была выявлена актуальность перевода щитового электрооборудования от электромеханических коммутационных аппаратов к полупроводниковым, что обусловлено следующими проблемами:
- большой ассортимент электротехнического оборудования;
- некомпетентность персонала;
- сложная структура системы щитов управления;
- громоздкость классической системы ВРУ;
- трудозатратность изменения схемы;
- проблема выявления неисправности;
- дороговизна систем «Умный дом»;
- несимметрия электрических нагрузок;
- невозможность изменения схем электропитания гражданских электрических потребителей (1 фаза на 1 точку подключения);
- несовершенность систем АСКУЭ (передача показаний счётчика).
Из описанных выше проблем формируется цель исследований: разработка полупроводникового коммутационного аппарата с расширенным функционалом. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1) выполнить анализ существующих систем симметрирования электрических нагрузок;
2) разработать алгоритм работы: силовой части (коммутация) электрической части устройства, определения оптимального варианта распределения однофазных потребителей по фазам, электрических измерений параметров, отходящих групп, защиты отходящих линий;
3) разработать методику проведения профессиональных исследований;
4) оценить экономическую эффективность коммутационного аппарата.
Результаты и обсуждение. Данное коммутационное устройство будет применяться: в системах бытового электроснабжения, объектах систем «Умный дом», в системах электроснабжения уровня напряжения 0,4 кВ.
Назначение аппарата:
- автоматизация технологических процессов;
- автоматизация работы электрооборудования с элементами диспетчеризации;
- снижение асимметрии нагрузок;
- выполнение защиты потребителей и кабельно-проводниковой продукции от аварийных режимов работы;
- возможность компенсации реактивной нагрузки.
Данное устройство будет применяться в энергосбытовых компаниях, физическими лицами (потребителями электрической энергии), юридическими лицами, занимающимися автоматизацией технологических процессов.
Предполагаемая научная новизна предлагаемых решений заключается в использовании алгоритмов определения оптимальных вариантов распределения однофазных потребителей по питающим фазам; в снижении асимметрии нагрузки посредством изменения вариантов распределения однофазных потребителей по питающим фазам без использования громоздких симметрирующих трансформаторов; в совмещении функций аппаратов защиты, коммутационных аппаратов и приборов учёта; в обеспечении функций систем «Умный дом».
Предполагается, что готовое устройство будет разрабатываться под формфактор, соответствующий электрооборудованию для монтажа в щитах распределительных на din-рейку. Питание устройства осуществляется от трёхфазной четырёхпроводной сети с уровнем напряжения 0,4 кВ. Отходящие группы предназначены для подключения однофазных потребителей с уровнем напряжения 0,2 и 0,4 кВ. Устройство позволяет осуществить защиту от работы потребителей в аварийных режимах посредством выполнения электрических измерений. Время коммутации не должно нарушать работоспособность современного электронного оборудования бытового назначения. Возможность подключения готового устройства к сети Internet. Возможность объединения нескольких готовых устройств в одну единую систему. Коммутация происходит в момент прохождения синусоиды через 0.
Конструктивные требования к готовому продукту: корпус коммутационного аппарата должен обеспечивать электробезопасность согласно требованиям правил устройства электроустановок (ПУЭ) для электроустановок напряжением до 1000 В.
Структурная схема работы устройства представлена на рисунке 1.
Структура коммутационного полупроводникового аппарата предусматривает универсальность устройства, так как оно содержит как силовую коммутационную часть, так и часть электрических измерений, логических вычислений, а также собственный источник стабилизированного питания.
Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 98(6) _
Technical Sciences
Рис. 1 - Структура коммутационного полупроводникового аппарата:
СКЧ - силовая коммутационная часть; ЭИ -электрические измерения; ИП - источник питания; МК - микроконтроллер; УВВ -устройство ввода-вывода
Вывод. На основе изысканий была выделена проблема неоправданного распространения электромеханических коммутационных аппаратов в различных сферах электроэнергетики. На основании проблемы были сформулированы цель и задачи исследований по разработке полупроводникового коммутационного аппарата, являющегося универсальным аналогом силовой электромеханической техники (контакторы, автоматические выключатели и т.п.). Разработана концепция полупроводникового коммутационного аппарата с представлением его структуры.
Список источников
1. Evolution of Power Semiconductor Devices [Электронный ресурс]. URL: https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/ park/node14.html (дата обращения 06.08.2022).
2. BatChapter2.fm «Review of Switching Concept and Power Semiconductor Devices» [Электронный ресурс]. URL: http://fpec.ucf.edu/wp-content/uploads/2020/! 1/Chap-ter-2.pdf (дата обращения 11.09.2022).
3. Плесовских В.А. Полупроводниковый коммутационный аппарат с элементами искусственного интеллекта // Актуальные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения: сб. матер. LIV студенч. науч.-практич. конф. Тюмень, 2020. С. 248 - 256.
4. Oleinikova A., Smolin N., Brovchenko I. Origin of the dynamic transition upon crystallization of crystalline proteins. J. Phys. Chem. 2006; 110: 19619-19624.
5. Hong L., Smolin N., Smith J.C. De Gennes narrowing describes the relative motion of protein domains. Phys. Rev. Lett. 2014; 112: 158102.
6. Филяев Д.В. Современные системы «умного дома» // Актуальные вопросы науки и хозяйства: новые вызовы и решения: сб. матер. LV студенч. науч.-практич. конф. Тюмень, 2021. С. 720 - 723.
7. Кизуров А.С. Тестирование разработанной модели системы поддержания уровня жидкости в технологическом резервуаре (водоёме) // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (89). С. 147 - 152.
8. Kizurov A. Symmetry of single-phase loads in four-wire three-phase networks of alternating sinusoidal current // Proceedings of the International Conference «Actual Issues of Mechanical Engineering» 2017 (AIME-2017).
References
1. Evolution of Power Semiconductor Devices [Electronic resource]. URL: https://www.iue.tuwien.ac.at/phd/ park/node14.html (Accessed06/08/2022).
2. BatChapter2.fm «Review of Switching Concept and Power Semiconductor Devices» [Electronic resource]. URL: http://fpec.ucf.edu/wp-content/uploads/2020/11/Chapter-2. pdf (Accessed11/09/2022).
3. Plesovskikh V.A. Semiconductor switching device with elements of artificial intelligence // Topical issues of science and economy: new challenges and solutions: Sat. mater. LIV student. scientific-practical. conf. Tyumen, 2020. Р. 248-256.
4. Oleinikova A., Smolin N., Brovchenko I. Origin of the dynamic transition upon crystallization of crystalline proteins. J. Phys. Chem. 2006; 110: 19619-19624.
5. Hong L., Smolin N., Smith J.C. De Gennes narrowing describes the relative motion of protein domains. Phys. Rev. Lett. 2014; 112: 158102.
6. Filyaev D.V. Modern systems of "smart home" // Topical issues of science and economy: new challenges and solutions: Sat. mater. LV student scientific-practical. conf. Tyumen, 2021, pp. 720-723.
7. Kizurov A.S. Testing the developed model of the system for maintaining the liquid level in the technological reservoir (reservoir). Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2021; 89(3): 147-152.
8. Kizurov A. Symmetry of single-phase loads in four-wire three-phase networks of alternating sinusoidal current // Proceedings of the International Conference "Actual Issues of Mechanical Engineering" 2017 (AIME-2017).
Анатолий Сергеевич Кизуров, кандидат технических наук, доцент, kizurovas@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0001-9561-5697
Anatoly S. Kizurov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, kizurovas@gausz.ru, https://orcid.org/0000-0001-9561-5697
Статья поступила в редакцию 13.09.2022; одобрена после рецензирования 04.10.2022; принята к публикации 31.10.2022.
The article was submitted 13.09.2022; approved after reviewing 04.10.2022; accepted for publication 31.10.2022.
-Ф-
