Полупроводникови контактори

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 3, 2011

Полупроводникови контакториПолупроводникови контакториПолупроводникови контакториПолупроводникови контакториПолупроводникови контактори

За намаляване на добре известните на производители и потребители недостатъци на механичните контактни системи съществуват множество решения. Най-доброто засега, а вероятно и в обозримо бъдеще, е замяната им с полупроводникови прибори, чиито непрекъснато усъвършенстване и появата на нови видове позволяват работата с все по-големи токове и високи напрежения. Освен масовото им прилагане при полупроводниковите релета, те вече се използват и за полупроводникови контактори (Semiconductor Contactor, Solid State Contactor) SSC. В статията се изяснява тяхната структура и действие, основните им параметри, охлаждането и особеностите на свързването им.

За разликата между полупроводникови релета и контактори

Принципна разлика между тези два вида прибори няма и затова разграничението трябва да се търси в осигурявания максимален ток през товара. На база на наименованията може да се предположи, че релетата са за по-малък ток от контакторите и затова някои специалисти наричат полупроводникови релета тези без радиатор, а полупроводникови контактори - тези с радиатор. И тъй като според съвременните технологии при ток над около 10 А радиаторът става задължителен, би трябвало тази стойност да е в границата между двата вида прибори. Това обаче не е така! Не са редки случаите, в които производителите наричат полупроводникови контактори свои прибори за управление на товари с по-малък максимален ток (например 20 А) от този на полупроводниковите си релета (например 90 А), които при това са с по-голям радиатор. От друга страна няма отговор на въпроса, ако на релето се постави радиатор то ще се превърне ли в контактор? Объркването става още по-голямо, като се прочете стандартът IEC62314, Ed.1 на Международната електротехническа комисия, който фиксира максималните напрежение и ток на полупроводниковите релета за променливотокови товари, съответно на 750 V и 160 А, т. е. реално има много малко променливотокови полупроводникови контактори. Изводът от всичко това е, че трябва да се приемат дадените от производителите наименования и да се обръща внимание на максималните осигурявани напрежение и ток в изхода на приборите.

Сравнение с електромеханичните контактори

Основното предимство на полупроводниковите прибори спрямо електромеханичните е, че при прекъсване на електрическата верига чрез запушването им по принцип не възниква електрическа дъга и съответно липсват създаваните от нея електромагнитни смущения, разпространяващи се по мрежата и в околното пространство. Няма нагаряне, износване и залепване на контакти и работата на полупроводниковите контактори се оказва много по-надеждна, а експлоатационният им срок е значително по-дълъг и обикновено надхвърля времето за физическо или морално остаряване на ползващата ги апаратура.
Реално SSC не се повреждат, издържат много по-добре на сътресения, удари, вибрации и други механични въздействия и е необходима по-малко енергия за промяна на състоянието им. Към това трябва да се прибави значително по-голямото им бързодействие и съответно по-голяма максимална скорост на превключване, което в редица случаи, например аварийно изключване на товари, може да има решаващо значение. Същевременно времената на включване и изключване на товарите са стабилни в процеса на експлоатация, а работата е напълно безшумна. За много индустриални приложения липсата на влияние на замърсяванията и в значителна степен на влагата върху работата на полупроводниковите контактори имат съществено значение. Поради естеството им те не притежават нежеланото треперене на механичните контакти и съпътстващите го недостатъци.
Специфично предимство за променливотокови товари е непознатата за електромеханичните контактори възможност включването и изключването им да става в моментите на преминаване на синусоидата на мрежовото напрежение през нулата, с което се избягват токовите удари и се удължава експлоатационният срок на тези товари. Това е съществено за осветителни тела с нажежаема нишка, но според някои тестове води до удължаване и на експлоатационния срок на нагреватели до 7 пъти. Същевременно е допълнителен фактор за намаляване на смущенията, създавани от SSC.
Недостатъците на полупроводниковите контактори, които ограничават приложенията им и са причина за продължаващата употреба на електромеханични комутационни устройства, се дължат на особеностите на използваните полупроводникови прибори. Максималното напрежение върху запушен прибор (“отворен контакт”) е по-малко от това на част от механичните контактни системи и не позволява управляването на високоволтови товари. В това състояние през прибора протича непознат за механичните контакти ток на утечка (Leakage Current), който нараства с увеличаване на напрежението на товара и има типични стойности между няколко mA и десетина mA. Нерядко в каталозите на полупроводниковите контактори се дават графики на тази зависимост, която почти винаги е линейна. Съпротивлението на отпушения прибор по принцип е по-голямо от това на затворен механичен контакт и нараства с увеличаване на тока през него (съпротивлението на механичните контакти не зависи от тока). Резултатът е по-голямо напрежение и съответно разсейвана мощност върху прибора и необходимостта от неговото охлаждане чрез подходящ радиатор. Освен за избягване на прегряването, което може да повреди приборите, трябва да се взимат мерки (чрез допълнителни елементи или схеми) за предпазването им от свръхнапрежения и недопустимо големи токове. Поради своето естество полупроводниковите контактори са с нормално отворен (н.о., NO) контакт, което в редица случаи затруднява и дори прави невъзможно използването им. С развитието на технологиите на силовите полупроводникови прибори тези недостатъци се ограничават, а делът на полупроводниковите контактори нараства.
Съществуват постояннотокови и променливотокови полупроводникови контактори. Символичното означение на SSC според EN60617:07-25-02 е дадено на фиг. 1.

Структура и действие

Основната структура на постояннотокови и еднофазни променливотокови полупроводникови контактори (1-pole SSC) е дадена на фиг. 2а. С SW е означен силовият ключ, който замества един механичен контакт и е отворен при липса на напрежение на управляващия вход In. Подаването на управляващо напрежение (то е параметърът Rated Control Supply Voltage, Control Voltage Range) Us на входа осигурява късо съединение на изхода Out и включва товара. Когато то е постоянно, типичните му стойности са 4-6 V, 12 V ±20%, 24 V ±20%, 3-28 V, 4-28 V, 3-32 V 5-32 V или 24-48 V, а при променливо с честота 50 Hz, стойностите обикновено са 8-50 V, 24-140 V, 20-280 V, 24-280 V и 110-230 V. Полезно е да се има предвид, че съществуват SSC, чието Us може да е както постоянно, така и променливо. Освен Us, блокът InC определя и параметрите ток във входа (Input Current) с типични стойности 10-20 mA и минимално входно напрежение (Must Release Voltage), при което полупроводниковият контактор запазва включеното състояние на товара - то е няколко пъти по-малко от минималното за задействане. Нерядко блокът InC съдържа предпазващи го от свръхнапрежение елементи, обикновено стабилитрон или термистор успоредно на входа и/или последователен диод срещу смяна на полярността на входното постоянно напрежение.
Следващият блок Opt е за галванично разделяне на управляващата от силовата част на SSC и представлява фотодиоден (Photodiode coupler), фототранзисторен (Photocoupler) или фототиристорен (Phototriac Coupler) оптрон, като най-често се използва първият вид.
Даденият с прекъсната линия блок ZCC е за включване в нулата (Zero Cross Circuit) и е възможно да се използва само в променливотокови SSC. Предназначението му е при подаване на Us на входа In да включи товара едва по време на първото преминаване на мрежовото напрежение през нулата (Zero Voltage Switching), т. е. със закъснение най-много 10 ms. При резистивни товари това помага за избягване на токовите удари, а при индуктивни и капацитивни се избягва и получаването на отскоци на напрежението или тока на товара. Поради естеството на реализация на блока, практически включването на товара не става точно в нулата, а при негово напрежение около 10% от номиналното, но това реално не намалява предимството. При липса на ZCC се осигурява т. нар. моментално задействане (instanteneous switching), при което товарът реално се включва най-много 1 ms след подаване на Us. То се използва основно в постояннотокови полупроводникови контактори, но се среща и в променливотокови, където забавянето на включването на товара е недопустимо, например, управлението на някои клапани.
Драйверът Dr осигурява необходимите като стойност и форма напрежения и токове за управление на блока SW. Когато той е реализиран с транзистори, обикновено се използва наименованието Driver Circuit, а при тиристори – Trigger Circuit, тъй като съществува разлика в схемните им решения.
Блокът SW осъществява включването и изключването на товара, свързан в изхода Out. В постояннотоковите SSC той използва биполярен или NMOS транзистор, като предимство на последния е и възможността да управлява и променливотокови товари. За нормалната им работа обикновено е необходим някакъв минимален ток (Holding Current, Minimum Load Current) в изхода с типични стойности за NMOS транзисторите от порядъка на стотина mA. В променливотоковите SSC за резистивен товар се използват симетрични тиристори или успоредно и двупосочно свързани тиристори (back to back thyristors) - фиг. 3.
Същото се отнася и за полупроводниковите контактори за индуктивни товари (например електродвигатели и соленоиди) с мощност до около 4 kW, докато за по-големи мощности симетричните тиристори реално нямат приложение. Предимство на тиристорите пред симетричните тиристори е по-бързата промяна на напрежението върху тях и съответно по-бързата смяна на състоянието им. Принципна особеност на двата вида тиристори е, че при подаване на сигнал за запушването им то става едва при първото преминаване през нулата на променливото напрежение на товара, което означава изключване на товара със закъснение. Съчетаването на ZCC с някой от тези тиристори в блока SW означава включване и изключване на товара в нулата, което е изяснено на фиг. 4.
Друга особеност е, че стабилното включване на товара от тиристорите и симетричните тиристори се осигурява само при негов ток над определена стойност, обикновено между 50 и 500 mA, давана като параметър в каталозите. От практическа гледна точка е важно да се знае, че променливотокови SSC с тиристори и симетрични тиристори не могат да се използват за постояннотокови товари, тъй като не се изключват след нулиране на напрежението на входа In.
Блокът SW определя изходните параметри на полупроводниковите контактори. Първият е максималният работен ток (Rated Operational Current, Rated Load Current) Ie, който SSC може да осигури на товара с типични стойности между няколко А и 250 А. Стойността му в каталозите обикновено е при околна температура до 25 °С, след което започва да намалява поради ограничаването на максималната разсейвана мощност на SSC. Много производители дават тази зависимост като графика, един пример за каквато е показана на фиг. 5 (всяка от графиките е за определен тип SSC). Съществуват полупроводникови контактори, в които стойността на Ie е най-голяма при минималната работна температура и непрекъснато намалява с увеличаването й. Други параметри са обхватът на изходното напрежение (Load Voltage Range) с долна граница десетина V и горна 660 V (ефективна стойност на синусоидално напрежение), максимално допустимият еднократен импулс на изходното напрежение (Non Repetitive Voltage) със стойности 2,5-3 пъти по-големи от максималното изходно напрежение, напрежението между клемите на изхода Out при включен товар (On-State Voltage Drop) с типични стойности 1-2 V, времето за включване (Turn-On Time) на товара и изключването му (Turn-Off Time), като двете може да са равни или различни с максимални стойности стотина ms. Те са от момента на подаване на съответното входно напрежение до съответстващото включване или изключване на товара.
За управление на трифазни променливотокови товари блокът SW е с три изхода (фиг. 2б), а наименованието е триполюсни полупроводникови контактори (3-pole SSC). Трите изхода се управляват заедно от входа In и всеки от тях отново има поведение на н. о. контакт. Използват се и двуполюсни полупроводникови контактори (2-pole SSC) също с едновременно управляване на двата изхода.
Блокът Lim има различно предназначение в зависимост от вида на контактора. В променливотоковите полупроводникови контактори с двата вида тиристори в SW той е т. нар. забавяща верига (Snubber Circuit), представляваща последователно свързани резистор и кондензатор. Целта й е да не позволи резки промени на напрежението върху тиристорите, които поради особеностите им биха могли да ги включат без управляващ сигнал на входа In. Такава опасност съществува най-вече при управление на електродвигатели и други индуктивни товари. Изключването на подобни товари чрез постояннотокови полупроводникови контактори създава импулсни напрежения с обратна полярност на захранващото товара постоянно напрежение. Те се потискат чрез диод или варистор, като последният не е задължително да бъде вграден в SSC, а при нужда се свързва външно. В променливотоковите полупроводникови контактори с моментално задействане блокът Lim обикновено съдържа допълнителни филтри за намаляване на възникващите смущения.
Споменатата необходимост от определена минимална стойност на изходния ток на полупроводниковия контактор за нормалната му работа може да се осигури при свързване на маломощни товари, като успоредно на изхода се прибави товарен резистор (Bleeder Resistance). Обикновено той не е вграден в Lim, а трябва да се прибави външно само при управление на такива товари, като съпротивлението му се дава в техническата документация на SSC.
И накрая с Fu на фиг. 2а е означен често поставяният (без да е задължителен) бърз предпазител (Quick-break fuse) срещу свръхтокове, например при късо съединение на товара.
На фиг. 2а не са показани съществуващите в почти всички полупроводникови контактори допълнителни блокове за индикация (например за включен товар или при негово късо съединение), за предпазване от повреда (например изключване на товара при изходно напрежение над определена стойност или при повреда), за контрол на собствената температура и на тока през товара (например за изключване на товара при ток през него извън определени граници). Не е показан и захранващият блок, който осигурява необходимите постоянни напрежения за работа на SSC като ползва напрежението на входа или това на товара.

Охлаждане

Температурата Ts във вътрешността на полупроводниковия контактор е Ts=Ta+Pеxq, където Та е околната температура (двете са в °С), Ре е разсейваната мощност във W и q е топлинното съпротивление на радиатора в °C/W (тази мерна единица показва колко °С е разликата Ts - Ta при Pe = 1W). Стойността на Ре може да се изчисли като произведение на напрежението на изхода на задействания полупроводников контактор и тока Ie на товара или от графика Pe(Ie). Втората възможност се използва по-често, тъй като производителите дават графиката в каталозите си - един пример е показан на фиг. 6. Когато SSC е с фабрично монтиран радиатор, се дава графика от вида на фиг. 5, която позволява да се определи максимално допустимият Ie за максималната очаквана околна температура. От последната при известен q може да се изчисли максималната стойност на Ts. Значително по-често за всеки полупроводников контактор производителите предлагат набор от радиатори, върху които той може да се монтира. В този случай потребителят избира каква максимална температура Ts да допусне при максималната околна температура Та, определя необходимото q = (Ts - Ta)/Pe на  радиатора и от набора избира този с най-близкото и по-малко q. Например SSC ще работи до Та=65 °С, има графика на фиг. 6 и ще управлява товар с ток 10 А. На него съответства мощност Pe=11 W и за получаване наTs=80 °C е необходим радиатор с най-много q = (80 °C - 65 °C)/11W = 1,36 °C/W. При избор на радиатор с q = 1 °C/W максималната температура във вътрешността на SSC ще е Ts = 65 °C + 11 W x 1 °C/W= = 76 °C.
Важно е да се има предвид, че стойността на q зависи от начина на монтиране на радиатора и се отнася за вертикално разположение на ребрата му. Някои производители дават допълнителни препоръки за минималното разстояние между съседни контактори.

“Интелигентни” полупроводникови контактори

Тези контактори притежават допълнителни възможности за диагностика на собственото си състояние, това на товара и/или за комуникация с други устройства. Примери за диагностиката са:
- следене на температурата на мощните полупроводникови прибори и изключване на товара при превишаване на определена нейна стойност;
- индикация чрез светодиод, когато някой от мощните прибори престава да се управлява, независимо дали е останал в запушено или отпушено състояние;
- аналогична индикация при късо съединение на мощен прибор;
- същата индикация при прекъсната верига на товара, независимо от причината за това (изгорял предпазител, несвързан товар).
По принцип, възможността за комуникация обикновено означава свързване на SSC с управляващо устройство чрез стандартeн индустриалeн интерфейс. Така се осигурява общо дистанционно управление на множество полупроводникови контактори, например намиращите се в бизнес сграда или индустриално предприятие. При това може да се осигури не само класическото включване и изключване на товара, но и задаване на желана мощност на променливотокови товари чрез средната стойност на тока им.
Стъпалното изменение на мощността, т. е. задаване на определен брой дискретни нейни стойности, се осигурява чрез т. нар. пакетно включване (Burst Firing) - товарът се включва за определен брой периоди TF на мрежовото напрежение и се изключва за TNF периода, с което се осигурява мощност P=TFPN/(TF+TNF), където PN е номиналната мощност. Например, при еднопериодния (Single-cycle) режим на работа товарът се включва или изключва за един период: при TF=TNF=1 се получава P=0,5PN, а с TF=1 и TNF=3 мощността е P=0,25PN. Разновидност е съвременният еднопериоден (Advanced single-cycle) режим с TF=1 и TNF=0,5, т. е. изключването е за половин период, и съответно P=2PN/3. Използва се и плавно регулиране на мощността, като чрез интерфейса се задава ъгълът на отпушване на тиристорите.

Избор на полупроводникови контактори

Освен логичният избор на подходящи параметри на SSC, два други фактора са от съществено значение. При управление на резистивни товари задължително трябва да се има предвид дали тяхното съпротивление се променя в процеса на експлоатация. Едната група са товари с неизменно съпротивление (относителните промени на съпротивлението с температурата им са не повече от 6-7%), в която влизат нагреватели от NiCr и NiCrFe и дълговълнови инфрачервени нагреватели (дължина на вълната над 1,5 mm). Може да се счита, че при работа с тях изходният ток на SSC е практически неизменен. Втората група са товари с променящо се с температурата съпротивление като нагреватели от волфрам, молибден и сплавта с търговско наименование кантал (промяната на съпротивлението на последния е около 20 пъти), късовълнови инфрачервени нагреватели (дължина на вълната под 1,5 mm) и електрически лампи с нажежаема нишка. В студено състояние те предизвикват значително по-голям ток през SSC, отколкото в нагрято състояние. В каталозите на някои производители е отбелязано за какъв тип товари е предназначен даден полупроводников контактор.
Вторият фактор е конструктивното оформление на корпуса на контактора с две основни разновидности в зависимост от начина на закрепване. Първата е предназначена за поставяне върху гладки плоскости (surface mounting installation) с отвори за закрепване. Другата разновидност има цангова ключалка и геометрични размери, позволяващи бърз и лесен монтаж върху стандартна DIN шина. И двете разновидности обикновено са снабдени с отвори за закрепване на радиаторите върху тях.

Свързване

В каталозите на полупроводниковите контактори обикновено, освен схемите на свързване на товарите в изхода, се дават и допълнителни сведения за препоръчваните сечения на проводниците на входа и изхода. Последните могат да се затягат с винт, да се поставят в отвор с притискаща пружина (Spring-Loaded Connection) или да са с кабелен накрайник (Ring Cable Connection), за който се указва и диаметърът на винта. Често производителите предлагат даден контактор с разновидности за всяко от тези закрепвания. На фиг. 7а е дадено свързването на незамасен постояннотоков товар L към напрежение Us, а на фиг. 7б е свързването на замасен товар. За реверсиране на постояннотоков електродвигател М може да се използва схемата на фиг. 7в, като за въртене в нормалната посока трябва да се задействат SSC1 и SSC2, а за обратна посока – SSC3 и SSC4.
Чрез успоредно свързване на еднакви полупроводникови контактори (по принцип те могат и да са различни, но това не се практикува) могат да се управляват товари с по-голям ток от този на контакторите.
Най-простият пример за това е използването на два полупроводникови контактора и постояннотоков товар (фиг. 7г), като токът IL на товара не се разпределя равномерно между двата SSC, а е по-голям през този с по-малко съпротивление в задействано състояние. Най-голямата очаквана стойност на тока Is през един от SSC се определя по следния начин. Изчисляват се съпротивлението RL=UL/IL на товара, минималното ronmin=Usmin/IL и максималното ronmax=Usmax/IL, очаквани съпротивления на двата SSC, където Usmin и Usmax са съответно минималното и максималното напрежение между изходните клеми на задействания SSC. Максималният ток през SSC с минималното съпротивление е Ismax=IL/(1+ronmin/RL+ronmin/ronmax) и двата SSC трябва да са с максимален ток поне с 20% по-голям от него.
Например товар с UL=24 V и IL=100 A трябва да се управлява с SSC, които имат Usmin=1,5 V и Usmax=2 V. Получава се RL=24V/100 A=0,24W, ronmin=1,5 V/100 A=15mW, ronmax=2 V/100 A=20 mW и Ismax=100 A/(1+15 mW/0,24 W+15 mW/20 mW) = 55,2 A и следователно минималният ток през другия SSC е 44,8 А. Необходимо е двата полупроводникови контактора да са с максимален ток 1,2x55,2 A = 66,2 A.
Еднофазен променливотоков товар се свързва към електрическата мрежа чрез еднополюсен полупроводников контактор SSC в съответствие с фиг. 8а, като R е за споменатия товарен резистор осигуряване на минимален ток на SSC за нормалната му работа. Варисторът Var се свързва само ако се очакват отскоци на напрежението при изключване на товара L, които ще предизвикат недопустимо голям ток през вградения в SSC варистор. Препоръчва се Var да е за напрежение 470 V и ток 700-1000 А.
Един от начините за свързване на трифазни променливотокови товари е чрез двуполюсен полупроводников контактор. Когато те са по схема “звезда”, се използва свързването вляво на фиг. 8б, а за “триъгълник” – вдясно на фигурата. Класическото свързване на “звезда” чрез триполюсен SSC е на фиг. 8в, която може да бъде заместена с “триъгълник”, както на фиг. 8б. С даден полупроводников контактор могат да се управляват товари със 70% по-голям ток, ако те позволяват свързването на фиг. 8г, което реално е “триъгълник”, но във всяко негово рамо е свързан по един “ключ” на SSC.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top