Транзисторные аппараты защиты и коммутации для низковольтных систем постоянного тока

Возрастающие требования к функциональным возможностям, экономичности и надежности летательных аппаратов диктуют необходимость разработки и внедрения автоматизированных бортовых комплексов, использующих новейшие достижения силовой электроники и микроэлектроники. В области авиационного электрооборудования — это системы нового типа, основанные на бесконтактном преобразовании и распределении электрической энергии с помощью полупроводниковых ключей [1Л4].

В составе таких комплексов важное место отводится бесконтактной коммутационно-защитной аппаратуре (КЗА) распределительных систем, осуществляющей дистанционное управление приемниками электроэнергии (ПЭ) и защиту сетей от аварийных перегрузок по току. Степень технического совершенства этого класса устройств в значительной мере определяет такие параметры системы электроснабжения (СЭС) как качество электропитания в нормальных и аварийных режимах, полное время реконфигурации систем распределения, контролеспособность и надежность. Основными требованиями к коммутационно-защитной аппаратуре являются высокие быстродействие и надежность при ликвидации аварийных режимов СЭС, селективность защиты, экономичность, малые остаточные напряжения и токи, высокая удельная мощность, большой ресурс работы, универсальность по отношению к нагрузкам различного характера, стабильность основных технических параметров.

В традиционных авиационных СЭС функции дистанционной коммутации выполняются электромеханическими контакторами и реле, а функции защитыконтактными тепловыми и электромеханическими аппаратами. Принципы построения и методы проектирования традиционной КЗА изложены в ряде фундаментальных работ Б. К. Буля, A.B. Гордона, К. К. Намитокова, И. С. Таева, В. Н. Шоффаидр. [5,6].

К достоинствам контактной КЗА следует отнести: относительно малые напряжения на включенных коммутационных аппаратах, нулевые остаточные токи в отключенном состоянии, высокую удельную мощность, особенно при токах в десятки-сотни ампер. Однако контактная КЗА имеет ряд существенных недостатков:

— низкую надежность вследствие окисления, эрозии, пригорания контактов;

— невысокое быстродействие, являющееся причиной значительных токов при коротких замыканиях (К.З.), а также больших временных интервалов реконфигурации систем электропитания;

— чувствительность контакторов и реле к индуктивным и моторным нагрузкам, двукратное уменьшение ресурса при их управлении;

— плохую электромагнитную совместимость (ЭМС), искрение и дугообра-зование, дребезг контактов, создающие помехи электронным устройствам;

— существенную температурную и технологическую нестабильность характеристик тепловых аппаратов защиты, вынуждающую переразмеривать сечение питающих проводов;

— низкие эксплуатационные качества, ограниченный ресурс, необходимость замены КЗА в среднем 1−2 раза за срок службы планера.

Недостатки контактной КЗА могут быть частично устранены в гибридной полупроводниково-контактной аппаратуре [7, 8]. Известны гибридные аппараты с использованием различных комбинаций контактных и полупроводниковых силовых ключей с целью обеспечения коммутационных режимов контактов. Имеются разработки защитных аппаратов на основе контакторов, дополненных электромагнитными блоками, формирующими термостабильные время-токовые характеристики. Разработаны контактные коммутаторы с электронными преду-силителями, осуществляющими двустороннюю связь с цифровыми системами. Однако, все 1шже перечисленные устройства не способны ограничивать аварийные токи и имеют низкое быстродействие.

К настоящему времени можно счнггать обоснованным научное положение.

0 том, что наиболее эффективным техническим средством дистанционного управления периферийными ПЭ постоянного тока и, одновременно, средством защиты их фидеров от токовых нагрузок являются транзисторные аппараты коммутации и защиты (АЗК) [1]. В отличие от гибридных и тиристорных аппаратов, транзисторные АЗК свободны от традиционных недостатков, поскольку соединяют в себе полную управляемость с предельно высоким быстродействием, что позволяет им предупреждать развитие аварийных токов и формировать любые требуемые законы управления нагрузками за счет контролируемого перехода через усилрггельный режим.

Применение транзисторных АЗК взамен контактных устройств повышает надежность и быстродействие КЗА, расширяет ее функциональные возможности [9 4−12]:

— объединяет в одном устройстве функции коммутации, защиты ПЭ и функции диагностики СЭС, сокращая общее число аппаратов;

— позволяет ограничивать по амплитуде токи К.З. на уровне неаварийных токов, что гарантирует селективность, исключает ощутимые провалы напряжений на неповрежденных участках;

— позволяет при необходимости ограничивать по амплитуде неаварийные переходные токи неприемлемо большой кратности: токи заряда емкостных фильтров РЭА, токи разогрева электроламп, пусковые токи электромеханизмов;

— реализует плавное включение и отключение нагрузок без ощутимых помех в сеть.

Таким образом, использование транзисторных АЗК в составе авиационных систем распределения электроэнергии — это одно из современных и перспективных средств повышения их эффективности.

Однако, внедрение бесконтактной аппаратуры в автоматику автономных объектов сдерживается их относительно высокой сложностью и сравнительно малой удельной мопщостью, что объясняется, в частности, относительно малой экономичностью и рабочей температурой полупроводниковых ключей.

Поэтому, основной проблемой создания полупроводниковых АЗК является обеспечение высокой удельной мощности, предельной для транзисторных устройств вообще и соизмеримой с удельной мощностью контактной аппаратуры в условиях интенсивных нестационарных электротепловых нагрузок на силовые элементы, возможностью работы в аварийных режимах, качественного разнообразия потребителей, тяжелых условиях эксплуатации и ограничениями по параметрам силовых полупроводниковых приборов.

Созданию транзисторных АЗК посвящено небольшое число исследований ввиду относительной новизны данного класса электротехнических устройств. Непосредственно относящимися к рассматриваемой области следует считать зарубежные разработки транзисторных и тиристорных АЗК для авиационных и космических систем, выполненные специалистами фирм Leach, Vought, Westinghous, КСА, Teledyne, Relays, DDC (США), Siemens (ФРГ) и др.

13 -г 20], а также отечественные отраслевые НИОКР. Имеются работы по проектированию бесконтактной (в основном тиристорной) КЗА наземных энергетических комплексов, содержащие полезные результаты [21 -f 23].

В 1975;80 гг. перед коллективом кафедры «Электрооборудование летательных аппаратов» МАИ была поставлена директивная задача по созданию основ теории и методов проектирования отечественных транзисторных АЗК для систем электроснабжения повышенной эффективности. В ходе проведения ряда НИОКР были получены следующие результаты:

— разработаны общие принципы построения и методы проектирования транзисторных АЗК постоянного тока низкого и повышенного напряжения [1,24 ч- 27];

— разработаны алгоритмы оптимального структурно-параметрического синтеза АЗК по критерию минимальной массы [1];

— разработаны принципы построения территориальных центров управления нагрузками (ЦУН), являющиеся периферийными устройствами цифровых систем управления и контроля [28]- - впервые в отечественной практике разработаныи внедрены в опытно-серийное производство АЗК постоянного тока на биполярных транзисторах для систем постоянного напряжения 27 В с применением специализированных ГИМС [29, 30 .

Решение этих и ряда других вопросов изложены в работах Ю. И. Конева, Е. В. Машукова, Д. А. Шевцова, Г. М. Ульященко в соавторстве с A.B. Гордоном, К. В. Костициной, Б. В. Кабелевым, B.C. Томиным, Д. М. Шмаковым, В. В. Сергеевым, А. Е. Серафимовым.

Отметим, что при проектировании АЗК может быть использован опыт, накопленный в процессе разработки силовых полупроводниковых устройств других классов, в частности, методы уменьшения статических потерь в СТК, изложенные в работах Ю. И. Конева, Ю. И. Драбовича, B.C. Васильева, А. Б. Токарева, методы защиты СТК, описанные в работах СВ. Бузыкина, Т. А. Глазен-ко, К. RischmuUer и др., методы конструирования и расчета транзисторных микроузлов, изложенные в работах Г. Н. Гуляковича, В. В. Мосина, Ю.Ф. Опад-чего, Е. И. Каретниковой и др.

Основные научные положения и выводы исследований, выполненных коллективом кафедры, справедливы и по сей день. Однако бурный прогресс силовых полупроводниковых приборов и микроэлектронных средств за последние десятилетия открывает дорогу совершенствованию транзисторных АЗК как в области их технических характеристик, так и по предельным токам. Применение в АЗК силовых низковольтных МДП транзисторов с ключевыми параметрами, существенно лучшими, чем у биполярных и БСИТ транзисторов заставляет пересмотреть некоторые принципы построения АЗК, провести ряд дополнительных исследований.

В первую очередь необходимо более детально обосновать вид и параметры время-токовых характеристик АЗК и способы их формирования. Необходимо разработать методику выбора и проверки правильности установки на борт летательного аппарата (ЛА) подобно тому, как это сделано для контактных аппаратов защиты в ОСТ 100 195−76. В дополнение к проведенным исследованиям следует рассмотреть принципы построения АЗК, универсальных по отношению к нагрузкам различного характера, способных управлять индуктивными и емкостными нагрузками без изменения структуры. Дополнительных исследований с привлечением современных компьютерных программ анализа электронных схем требуют вопросы обеспечения безопасности силовых МДП ключей в аварийных режимах. В выполненных ранее разработках крайне мало сведений о способах технической реализации АЗК на МДП ключах и о массо-энергетических параметрах таких аппаратов. Между тем к настоящему времени АЗК постоянного тока с номинальным напряжением 27 В являются серийной продукцией ряда зарубежных фирм и уже используются в системах электроснабжения нескольких серийных самолетов.

В связи с этим задачу создания отечественных транзисторных АЗК данного класса следует рассматривать как первоочередную в плане внедрения бесконтактной КЗА в автономные системы электроснабжения.

Целью настоящей работы является разработка принципов построения, методов проектирования и средств технической реализации транзисторных АЗК постоянного тока, предназначенных для применения в составе низковольтных систем распределения электроэнергии автономных объектов.

Исходя из указанной, цели можно сформулировать основные задачи исследований:

— обоснование технических требований к низковольтным транзисторным АЗК постоянного тока, разработка методики их выбора для применения в.

СЭС;

— определение принципов построения низковольтных АЗК на силовых МДП транзисторах, универсальных к нагрузкам различных классов, разработка функциональных схем АЗК;

— исследование вопросов обеспечения безопасности силовых МДП ключей в аварийных режимах сетей и нагрузок, включая К.З., разработка методов обеспечения их гарантированной безопасности;

— разработка методики синтеза низковольтных АЗК с позиции их миниатюризации и с учетом параметров формируемых время-токовых характеристик (ВТХ);

— разработка средств технической реализации низковольтных АЗК на силовых МДП транзисторах, создание научно-технической основы для их освоения в опытно-промышленном производстве.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе анализа нагрузок СЭС по постоянному току обоснована необходимость разработки двух функциональных вариантов АЗК: без ограничения неаварийных токов до уровня <72-/Л для управления R, RL нагрузками.

АЗК1) и с их ограничением на уровне > 5 л? • для управления КС нагрузками (АЗК2).

2. С помош-ью предложенных электротепловых моделей авиационных проводов и тепловых автоматов защиты (A3) исследованы их ВТХ в типовых режимах системы электрооборудования (СЭО), установлена возможность повреждения проводов аварийными токами, а также возможность ложного отключения тепловых A3 в нормированных испытательных циклах. Определена граница области допустимого разброса время-токовых характеристик транзисторных АЗК.

3. Определены принципы формирования защитных характеристик АЗК1 в виде гиперболы • = Const между уровнями тока отсечки и пограничного тока, лежащей на расчетном удалении от ВТХ провода и границы поля энергетических констант нагрузок.

4. Исследованы энергетические возможности современных МДП транзисторов в нестационарных режимах управления LR и CR нагрузками. Показано, что силовые МДП ключи, рассчитанные по допустимым токам, не способны плавно отключать штатные LR нагрузки авиационных СЭС из верхних точек.

ВТХ, но способны включать штатные КС нагрузки с учетом всплесков напряжения сети.

5. Определены принципы построения универсальных АЗК постоянного тока низкого напряжения (ПТНН) на силовых МДП транзисторах для управления ЪК и СК нагрузками в автономных СЭС с использование плавного включения через активную область, активных и пассивных ограничителей напряжения на СТК, активных ограничителей тока через СТК.

6. Исследованы процессы развития и ликвидации К.З. в распределительных сетях с учетом их индуктивности. Определены условия электротепловой безопасности силовых транзисторов АЗК.

7. Разработана математическая модель АЗК ПТНН в виде системы нелинейных алгебраических и линейных дифференциальных уравнений, описы-ваюш-их стационарные и нестационарные электрические и тепловые процессы в силовых узлах АЗК с учетом взаимодействия электрической и тепловой подсистем через рассеиваемые мощности и термозависимые параметры полупроводниковых приборов.

8. В результате оптимального синтеза АЗК по критершо минимальной массы установлено, что удельная мощность АЗК ПТНН для авиационных СЭС на МДП транзисторах в 2,5-л-3,0 раза выше, чем у АЗК на биполярных транзисторах ив 1,5-г 2,0 раз выше, чем у авиационной контактной коммутационно-запщтной аппаратуры при номинальных токах 2 А20А.

9. Установлено, что при изменении внешних параметров АЗК (кратность тока нагрузки, температура среды) в типовых пределах, удельная масса АЗК изменяется на 5 -г 12%, что существенно меньше, чем у АЗК на биполярных транзисторах. Установлено, что с изменением ключевых параметров МДП транзисторов в возможных пределах удельная масса АЗК изменяется на 30л50%.

Практическая полезность работы заключается в следующем:

1. Определены количественные требования к параметрам ВТХ АЗК.

ПТНН. Показано, что пограничные токи АЗК рационально установить в пределах, а относительная энергия срабатывания находится в пределах 4-А10, что исключает возможность ложного отключения АЗК в неаварийных режимах и гарантирует безопасность авиационных проводов.

2. Предложены экспериментальные методы определения параметров области максимальных режимов (ОМР) полупроводниковых ограничителей напряжения (ОН) и СТК на МДП транзисторах, необходимых для расчета параметров их электротепловых моделей, основанные на измерении UQAjjpjjfA (t, 0) vi-UcA (t,(c)).

3. Разработана структурная схема ФВТХ вида 1А-Тд = Const, содержащая датчик тока нагрузки iAft), квадратор ijj (t), интегратор тепловых потерь в проводе, компараторы тока отсечки и пограничного тока и гарантирующая защиту фидеров ПЭ от аварийных токов.

4. Разработана структурная схема универсального АЗК ПТНН для авиационных СЭС, реализующая функции дистанционного управления LR и СК нагрузками, защиты фидера, амплитудного ограничения токов К.З., защиту СТК от перегрева и перенапряжений, диагностику состояния фидера и АЗК.

5. Разработаны практические рекомендации, схемы защиты СТК от перегрузок по току и напряжению при ликвидации К.З.

6. Разработана методика проектирования АЗК, оформленная в виде алгоритма и автоматизированной программы их оптимального синтеза по критерию минимума массы, выполняющая расчеты нестационарных неаварийных и аварийных режимов АЗК при управлении LR и CR нагрузками на каждом шаге оптимизации.

7. Рассчитаны опгамальные параметры и удельные мощности ряда авиационных АЗК ПТНН на токи 2-i-20A, дана оценка влияния на массу АЗК кратности тока нагрузки, температуры среды и ключевых параметров применяемых МДП транзисторов.

8. Разработаны аппаратурные решения авиационных АЗК на напряжение.

27 В и токи нагрузки 2−1*10А, а также дистанционного транзисторного коммутатора на напряжение 120 В с током до 25А. Проведены экспериментальные исследования макетных образцов, подтверждающие результаты теоретических исследований.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры микроэлектронных электросистем Московского государственного авиационного института (технического университета). Московских и Всероссийских научно-технических конференциях и изложены в 12 печатных работах.

Основные результаты диссертационной работы внедрены на ГУП НПП «Пульсар» г. Москвы, а также в учебный процесс по кафедре № 306 Московского государственного авиационного института (технического университета).

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает в себя введение, пять глав, общие выводы по работе, список литературы, приложение и содержит 130 страниц основного текста, 34 таблицы и 86 рисунков на 52 страницах, 85 наименований списка литературы на 9 страницах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. С помощью электротепловых моделей авиащюнных проводов и тепловых A3 исследованы их ВТХ в наиболее неблагоприятных режимах работы СЭО. Установлена возможность повреждения проводов аварийными токами, а также возможность ложного отключения тепловых A3 в нормированных испытательных циклах.

2. Определены количественные требования к ВТХ транзисторных АЗК. Показано, что пограничные токи АЗК рационально установить в пределах i, 2-mi, 4-ifj, а относительную энергию срабатывания — в пределах 4*io, что исключает возможность ложных отключений АЗК в неаварийных режимах и гарантирует безопасность авиационных проводов.

3. Исследованы предельные нестационарные электротепловые режимы современных МДП транзисторов при отключении LK и включении СК нафу-зок. Обоснована возможность создания универсальных АЗК для зшравления LK и СК нагрузками с применением полупроводниковых ограничителей напряжения и транзисторных активных ограничителей тока.

4. Разработаны принципы построения и структурные схемы универсальных АЗК автономных СЭС, реализующих функции дистанционного управления нагрузками любого типа, защиту фидеров по закону Р -1 = Const, амплитудное ограничение токов К.З. на уровне ij л 1,5 • ш. шкс защиту СТК от перегрева, запщту СТК от перенапряжений, диагностику состояния фидера нагрузки и АЗК.

5. Предложен метод экспериментального определения границ ОМР сило-вьгх ключей на основе МДП транзисторов, использующий измерение мгновенных значенийUcfjf,&Kp) — Определены параметры электротепловых моделей гибридных микросборок СТК, входящих в состав АЗК.

6. С помощью электротепловых моделей СТК исследованы процессы развития и ликвидации К.З. в силовых ключах АЗК с учетом влияния индуктивности сети. Разработаны практические рекомендации по обеспечению электротепловой безопасности СТК.

7. Разработана методика оптимального структурно-параметрического синтеза АЗК по критерию минимальной массы, оформленная в виде алгоритма и программы из автоматизированного проектирования с использованием предложенной ММ АЗК, описывающей стационарные и нестационарные электротепловые режимы силовых цепей АЗК.

8. По результатам синтеза АЗК на МДП транзисторах установлено их преимущество в удельной мощности в 2,5 + 5,0 раза перед АЗК на биполярных.

— 179транзисторах в 1, 5-г 2,0 раза перед контактной авиационной КЗ, А при токах 2-т20А. Определена степень влияния на удельную массу АЗК номинального тока, температуры среды и ключевых параметров МДПТ.

9. Разработаны схемотехнические решения универсальных АЗК на отечественных МДП транзисторах для управления ЬК и СК нагрузками авиационных СЭС постоянного тока напряжением 2 7 В и автономных СЭС постоянного тока напряжением 12 0 В. Проведены экспериментальные исследования макетных образцов АЗК, подтверждающие теоретические положения работы.

В заключение раздела можно сформулировать следующие выводы [58]:

— анализ взаимного расположения ВТХ авиационных проводов и тепловых А3, рекомендуемых для их защиты, обнаруживает возможность повреждения проводов малых сечений в тех случаях, когда провода работают при максимальных, а АЗК — при минимальных и номинальных температурах среды;

— расчеты наименьшей энергии срабатывания тепловых А3 при максимальной температуре среды, находящихся под током, в отдельных случаях обнаруживают возможность их ложного отключения при набросах напряжения сети;

— для гарантированной защиты проводов с наименьшей допустимой температурой следует сдвинуть нормированную шкалу А3 на один шаг вправо относительно шкалы проводов;

— анализ взаимного расположения ВТХ авиационных проводов с наименьшей предельной температурой (БПДО) и ВТХ бесконтактных АЗК по ОСТ 101 078−98 [55] обнаружил возможность повреждения проводов малых сечений в наиболее тяжелых для них режимах;

— анализ ВТХ зарубежных транзисторных АЗК установил, что относительная энергия их срабатывания в среднем меньше, чем у тепловых А3 и у бесконтактных АЗК по ОСТ 101 078−98 [55], что объясняется расчетом на лучшее качество напряжения сетиисточник.

ИНФОРМАЦИИ рлазмакс рлаз. погр лсраб (8−1аз)><�ллсраб (л ' лаз)>л лсраб (1погр)'л.

ЬКЕ.

10,0 ч- 15,0 1−1,2.

0,02 + 0,03 0,055 — 0,1 0,25 + 0,35.

ВВС.

8,0+ 12,0 1Д — 1,45 0,025 + 0,32 ОД 4+ 1,65 10,0 + 20,0.

ГКЬЕВУМЕ.

8,0+ 19,0 1,0+1,4 0,08 + 0,05 0,25 + 2,0 5,0+10,0.

ОСТ 101 078−98.

12,0 1=2 + 1,5.

0,1+0,3 1,0 + 2,0 8,0+ 12,0.