История электротехники

С появлением силовых тиристоров, успешным опытом их применения появилась возможность создания высоковольтных тиристорных вентилей (ВТВ), которые имеют ряд преимуществ по сравнению с их ртутными предшественниками. Тиристорные вентили позволяют создавать преобразователи на широкий диапазон напряжений и токов, требуют минимального обслуживания. Начиная с середины 60-х годов в СССР развернулись научно-исследовательские работы и проектирование преобразовательных подстанций на основе ВТВ. За сравнительно короткое время были достигнуты значительные успехи, и уже в 1972 г. были прекращены работы по созданию ртутных вентилей.

Первоначально создаваемые ВТВ предназначались для замены ртутных вентилей на действующих линиях передачи. В 1969 г. впервые в инженерной практике было осуществлено включение в эксплуатацию тиристорного моста напряжением 100 кВ и мощностью 15 МВт на действующей линии электропередачи Кашира — Москва. Разработка была выполнена в ВЭИ. На этой же передаче прошли испытания вентили, разработчиками которых были Научно-исследовательский институт постоянного тока (НИИПТ) и Энергетический институт Академии наук (ЭНИН).

В дальнейшем работы по созданию ВТВ сосредоточились в основном в ВЭИ. Они были направлены на создание оборудования для проектируемой сверхмощной линии передачи постоянного тока Экибастуз — Центр напряжением 1500 кВ и мощностью 6000 МВт.

В рамках этой программы совместно с заводом «Уралэлектроаппарат» был создан тиристорный мост напряжением 100 кВ и мощностью 90 МВт, предназначенный для работы в каскадной схеме на высшем потенциале по отношению к земле. С 1974 г. началась его опытно-промышленная эксплуатация.

Одним из передовых технических решений было применение оптоэлектронной системы управления на линии передачи постоянного тока. Оптоэлектронные каналы радикальным образом решают проблемы изоляции и помехоустойчивости системы управления вентилем и тем самым прокладывают путь к созданию ВТВ на сверхвысокие напряжения. Основные элементы этих каналов (специально разработанный в нашей стране в НИИ «Полюс» крупнейший в мире полупроводниковый квантовый генератор световых сигналов мощностью свыше 200 Вт, световоды для работы на высоких напряжениях и длиной свыше 30 м) освоены отечественной промышленностью, и, как показала практика, имеют высокую эксплуатационную надежность. Эти элементы позволяют одновременно управлять сотнями тиристоров с потенциала земли. При этом источники света и системы регулирования преобразователей могут находиться в отдельном помещении и соединяться с вентильным залом лишь с помощью световодов.

Параметры разработанных управляемых тиристорных блоков по мощности и напряжению почти в два раза превышают все существующие зарубежные аналоги. Блоки предназначены для комплектации сверхмощных тиристорных мостов напряжением 375 кВ и мощностью до 750 МВт.

Проведенные в ВЭИ совместно с заводом-изготовителем работы позволили в короткие сроки создать ВТВ для выборгской вставки постоянного тока и укомплектовать ими преобразовательные установки суммарной мощностью 1065 МВт (рис. 11.9). Эта работа была удостоена Государственной премии СССР (В.П. Фотин, И.П. Таратута, Ю.М. Резов, Р.А. Лытаев).

11.2.6. РАЗВИТИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

В последние годы усилия специалистов, занятых в силовом полупроводниковом приборостроении, были сосредоточены на исследовании и разработке новых типов СПП, технологических методов и процессов, оснастки, оборудования и материалов, необходимых для их реализации, а также на разработке физико-математических моделей СПП и наборов прикладных программ для проектирования различных модификаций приборов с учетом прогнозирования их параметров и характеристик, включая возможные изменения при воздействии внешних факторов.

Указанные направления работ позволили повысить параметры СПП, достигнув для быстро восстанавливающихся диодов токов до 2000 А и напряжений 4000 В, для тиристоров — 2500 А при 4400 В и 3500 А при 1000 В, для быстродействующих тиристоров — 2000 А при 2400 В и времени выключения 25–63 мкс и 3000 А при 800 В и времени выключения 8–25 мкс.

В последние годы специалисты силового полупроводникового приборостроения работают над созданием следующих СПП:

быстродействующих тиристоров с повторяющимся напряжением 2500 В на токи 100–1600 А и временем выключения до 16 мкс;

тиристоров на токи 160–200 А, напряжения 500–700 В с временем выключения 1–2 мкс;

быстродействующих тиристоров с повторяющимся напряжением 1400 В, работающих при повышенной рабочей температуре до 140–150 °С. Такие тиристоры позволят перевооружить электрифицированный транспорт, решить многие задачи топливно-энергетических отраслей;

запираемых тиристоров на импульсный ток до 1250 А, напряжение до 6000 В и запираемых тиристоров с полевым управлением на ток до 250 А, напряжение до 1200 В;

нового поколения полупроводниковых модулей на базе IGBT-структур (биполярные транзисторы с изолированным затвором) на токи до 1600 А, напряжение 1200 В;

полупроводниковых ключевых приборов с полевым управлением на основе СИ-транзисторов (транзисторов со статической индукцией) и МОП-транзисторов (полевых транзисторов) с комплексом параметров, не уступающих IGBT.

В схемотехнике силовых полупроводниковых схем сложились типовые узлы, которые служат «строительным материалом» для создания практически любых силовых электронных устройств. Эти типовые узлы выпускаются в виде силовых интегральных модулей, использование которых облегчает задачу инженеров-разработчиков, упрощает монтаж и повышает надежность преобразователей. Получили распространение диодно-диодные модули с последовательным соединением (полумостовые схемы); диодно-тиристорные модули и тиристорно-тиристорные модули (полумостовые управляемые и полууправляемые схемы); диодные и тиристорные группы из трех вентилей с общим анодом (катодом); однофазные и трехфазные мостовые структуры. Силовые модули имеют различное конструктивное решение. Существуют потенциальные и беспотенциальные исполнения; в первых активные элементы соединены с металлическим основанием, во вторых они электрически изолированы керамическими прокладками.

Следующим важным новшеством, упрощающим разработку преобразовательных устройств, стала унификация средств сопряжения силовых полупроводниковых вентилей (силовых ключей) с цепями управления. Таким средством сопряжения информационных маломощных устройств с уровнями сигналов в единицы вольт и единицы миллиампер с управляющими цепями силовых модулей служит драйвер, который не только выполняет функции усиления мощности управляющего сигнала, но и обеспечивает потенциальную развязку с помощью оптронов или разделительных трансформаторов, питание формирователей управляющих сигналов от изолированных источников, выполнение некоторых вспомогательных функций, например, формирование комплементарных (взаимно инверсных) сигналов управления, введение задержек между сигналами управления.

Система интегральных модулей: микроконтроллеры — драйверы — силовые интегральные модули — образует замкнутую технологическую цепь управляемого преобразования электрической энергии.

Следующим шагом в развитии элементной базы силовой электроники стали так называемые интеллектуальные (разумные) силовые модули.

Интеллектуальный силовой модуль представляет собой сложную интегральную силовую схему (размер корпуса соизмерим с размером калькулятора). Модуль содержит управляемую силовую схему, например трехфазный мост, систему драйверов силовых ключей, внутренние схемы защиты от перегрузок по току и от перегрева, узлы потенциальных развязок между управляющими цепями, силовыми цепями и элементами конструкции модуля.