Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Силовая электроника для энергетики: в русле последних достижений Во всем мире развитию и применению энергосберегающих технологий, что особенно актуально в нынешний период спада экономической активности, уделяется все большее внимание. К числу таких технологий относится и силовая электроника, области практических разработок которой связаны с преобразованием и коммутацией силовых электрических цепей. Возрастающая роль силовой электроники определяется еще и тем, что сейчас уже около двух третей всей вырабатываемой электроэнергии потребляется в параметрически преобразованном виде. Для России вопросы сбережения электроэнергии, хотя производится она в достаточном количестве, стоят достаточно остро. Это связано с огромной протяженностью электрических сетей (почти 2 млн км), неизбежно влекущей немалые потери, оснащение которых к тому же более чем наполовину выработало свой ресурс. Устарела сама концепция односторонней передачи энергии, представляющая собой на сегодня, образно говоря, «набор мускулов и костей без нервной системы». Вместе с тем, потребление энергии и в социальной, и в производственной сфере объективно возрастает, изменяется характер спроса, повышаются требования к надежности энергообеспечения объектов. Эти и другие факторы вызывают необходимость качественного обновления используемого оборудования, поиска ра­циональных методов распределения и подачи энергии потребителям, прозрачности методов ее доставки, формирования динамичной и эффективной связи между всеми компонентами сетей. На практике это означает, что инновационному пути развития электроэнергетики с широким использованием достижений силовой электроники нет альтернативы, что закреплено в принятых Правительст­вом РФ федеральных целевых программах. До 2020 г. они предусматривают реализацию ряда мер, направленных на развитие научно-технического комплекса страны, а также электронной компонентной базы и радиоэлектроники. В рамках наполнения целевых программ практическим содержанием выставочная компания «Примэкспо» дала возможность профессионалам, посетившим 6-ю по счету выставку «Силовая электроника и энергетика ’2009», познакомиться с новейшими научно-техническими разработками российских и зарубежных фирм. Изделия, демонстрировавшиеся в московском Центре международной торговли, были адресованы ТЭКу, различным отраслям промышленного производства, транспортникам, связистам, предприятиям ЖКХ и других сфер экономики. Полупроводниковые преобразователи Полупроводниковые преобразовательные устройства пользуются се­годня нарастающим спросом. При этом структурный состав силовых преобразователей довольно широк — статические преобразователи для электротехники, собственно электроэнергетики, лазерных технологий, транспорта. На базе устройств силовой электроники на современных высокотехнологичных предприятиях создаются агрегаты бесперебойного питания, импульсные генераторы, регуляторы и стабилизаторы напряжения и тока, компенсаторы и симметрирующие устройства, наконец, приводы станков с ЧПУ. Одним из таких предприятий яв­ляется ОАО «Электровыпря­ми­тель» (г. Саранск, Республика Мордовия) — крупнейший российский разработчик и производитель приборов на токи до 10 кА и напряжения до 50 кВ. Ком­пания работает на энергетическом рынке несколько десятилетий и зарекомендовала себя надежным партнером крупных предприятий в нашей стране и более чем в 50 государствах, куда поставляется ее продукция. Предлагаемая номенклатура вклю­чает в себя, прежде всего, силовую полупроводниковую элементную ба­зу, которая по основным типам со­-ответствует требованиям современной техники. К новым приборам относятся мощные полностью управ­ляемые полупроводниковые ключи — высоковольтные IGBT-транзисторы и IGCT-тиристоры*, тиристоры с оптическим управлением и с функциями самозащиты, комплектные частотные диоды с мягким восстановлением. Линейку изделий пополнили также сверхмощные и супервысоковольтные диоды и транзисторы с повышенной эксплуатационной наде­ж­ностью, диодно-тиристорные модули, ограничители напряжения. Номенклатура изготавливаемых полупроводниковых приборов позволяет выпускать различные по назначению заказные силовые блоки и охладители к ним. Блоки проектируются и производятся по стандартным схемам преобразования (выпрямители, инверторы, регуляторы пе­ременного тока и пр.) на основе технических требований заказчиков. Предназначены они для комплектации устройств плавного пуска и управления скоростью вращения электродвигателей, регуляторов температуры и освещенности, компенсации реактивной мощности электросварки, индукционного нагрева, гальваники, а также систем бесперебойного питания. К отличительным особенностям изделий предприятия следует отнести компактность и небольшой вес, наличие изолированного охладителя, высокую плотность мощности на единицу объема и, что очень важно, надежность при работе в тяжелых режимах циклических нагрузок. По желанию заказчиков поставка силовых блоков может производиться в комплекте с вентиляторами, термодатчиками (в т. ч. с изоляцией термоэлемента 6 кВт), драйверами управления, устройствами защиты от перенапряжений, токов перегрузки и коротких замыканий. Активно работают инженеры предприятия над совершенствованием преобразовательных приборов для электроподвижного состава ОАО «РЖД» и тяговых подстанций. Транспортникам компания представила серийный вариант выпрямителя для тяговых подстанций В-ТПЕД-3,15к-3,3к-У1. Прибор, преобразующий переменный ток в постоянный, изготавливается по трем схемам выпрямления: эквивалентной 12-фазной мостовой, трехфазной мостовой и «две обратные звезды с уравнительным реактором». Эта разработка имеет достаточно простую конструкцию, а потому удобна в эксплуатации и не требует постоянного обслуживания специалистами. Выпрямитель оснащен микропроцессорной системой диагностики силовых диодов с возможностью передачи информации по последовательному каналу RS-485. Изначально комплекс, состоящий из трех шкафов с диодами и шкафа с реле тока земляной защиты, предназначен для наружного размещения. Однако при соблюдении ряда условий его можно монтировать и в закрытом помещении. В устройстве предусмотрено естественное охлаждение. Одним из важных направлений проектно-производственной деятельности ОКБ «Искра» (г. Улья­новск) — известного разработчика силовых полупроводниковых приборов (СПП) и мощных устройств на их основе для нужд промышленности и оборонного комплекса, является производство широкой гаммы преобразовательной техники для индукционного нагрева. С этой целью используются собственные высокочастотные преобразователи, выполненные на IGBT и MOSFET* модулях, ВЧ-тиристорах (или модулях) с применением современной схемотехники и конструкционных элементов. На базе преобразователей создаются системы индукционного нагрева мощностью от 3 до 320 кВт с частотой преобразования от 1 до 65 кГц и более, поз­воляющие с высокой эффективностью проводить объемную приповерхностную обработку металлов, плавку и не­которые другие технологические операции. В последние годы ОКБ «Искра» совместно с одним из ведущих в области микроэлектроники предприятием России ОАО «Ангстрем» выполнило ряд научно-исследовательских и конструкторских разработок по самому перспективному направлению развития силовой электроники — расширению элементной базы силовой техники. Конструк­тор­ские решения распространялись, в частности, на совершенствование мощных полевых транзисторов (MOSFET), IGBT-транзисторов и быстровосстанавливающихся диодов (FRED) — как в дискретном, так и в модульном исполнении. Эта элементная база рассчитана на широкое применение в интеллектуальной преобразовательной технике, высокочас­тотных импульсных источниках питания, частотно-регулируемых электроприводах, сварочном оборудовании и системах индукционного нагрева. Обновление номенклатуры коснулось и корпусной базы для элементов силовой электроники. Сегодня разработчики предлагают новые металлокерамические ВЧ-корпуса с безындуктивными выводами, корпуса для поверхностного монтажа по типу SMD, а также модульного исполнения приборов и микросборок. Следует отметить, что используемым материалам изготовители уделяют особое внимание. Для НПП «Гаммамет» (г. Екатеринбург) это, по сути, самостоятельная программа в структуре производственной деятельности. На предприятии создаются аморфные и нанокристаллические сплавы на основе современной технологии скоростной закалки металлических расплавов на поверхности быстровращающегося барабана-холодильника. Такая технология позволяет получать материалы с уникальными магнитными, механическими и химическими свойствами. Они обеспечивают производство широкого спектра магнитопроводов и разнообразных приборов. Среди последних — высокочастотные, согласующие, им­пульсные, измерительные и силовые трансформаторы, феррозонды и датчики, блоки питания, усилители низкой частоты. Подобные изделия в большом ассортименте представлены в номенклатуре выпускаемой продукции. От транзисторов до оптронов Инновационные проекты (предложения) для различных сфер промышленного производства размещаются сегодня в Российском унифицированном каталоге ресурсов. Здесь недавно было выставлено несколько «свежих» заявок одного из первых российских предприятий, специализация которого на разработке и производстве транзисторов и изделий на их основе была определена еще в середине прошлого века, — ФГУП ГЗ «Пульсар» (г. Москва). Предложения касаются поставок новинок заводской продукции — мощных СВЧ-транзисторов для радиолокации (типа А873А, А890А/Б/В, 2Т979Б, 2Т9118В) и ВЧ-транзисторов для радиосвязи (2Т921А/950А/950Б/951А). Во время работы выставки представители завода подробнее ознакомили специалистов с серийной продукцией, используемой в составе авиационного и судового оборудования, в системах опознавания и силовой электронике, а также с новыми ресурсными разработками. Так, интеллектуальные радиолокационные СВЧ-транзисторы, пред­назначенные для информационно-телекоммуникационных систем и, в первую очередь, судовых локаторов, имеют выходную мощность 25–220 Вт и работают на частотах от 0,96–1,22 до 450 ГГц. Они обладают низким тепловым сопротивлением и высокой надежностью, что отчасти обеспечивается золотой металлизацией кристаллов приборов. ВЧ-транзисторы для радиосвязи могут «обслуживать» стационарные, пере­движные и корабельные радиостанции ближней и дальней связи. Диапазон частот для них установлен в пределах 30– 80 МГц. Выходная мощность приборов составляет от 3 до 250 Вт, уровень шума не превышает 15 дБ. Технологическая база завода «Пульсар» позволяет разрабатывать и изготавливать электронные твердо­тельные компоненты и системы из различных полупроводниковых материалов — кремния, арсенида галлия, нитрида галлия и многокомпонент­ных соединений на его основе. Такие композиционные решения в силу уникальных свойств материалов обеспечивают создание современных высоконадежных многофункциональных и специализированных интегральных приемо-передающих модулей для радиолокации, интегральных микро­-схем различного назначения и разной степени интеграции и ряда других технических средств. Большим спросом пользуются изделия силовой электроники. Это, в частности, кремниевые МДП (ме­талл–диэлектрик–полупроводник) переключательные транзисторы, IGBT-транзисторы, высоковольтные диоды и микросхемы (для стратегических сил сдерживания). Когда заходит речь об оптоэлектронной технике, ассоциирующейся с яркими и мощными светодиодами и лампами, системами подсветки и заградительных огней, изделиями автоэлектроники, непременно упоминается крупнейший в России производитель этой изящной продукции завод «Протон» из Орла. Три с половиной десятилетия успешной работы позволили его коллективу сформировать отличную техническую базу, благодаря которой на предприятии реализуется полный цикл производства — от изготовления кристаллов до завершающей сборки изделий. Важнейшим перспективным направлением деятельности ОАО «Протон» является производство оптореле для поверхностного монтажа в миниатюрных корпусах SOP4/8 и транзисторных оптопар в корпусах SOP4. Транзисторные оптопары рядом своих свойств выгодно выделяются из ряда других оптронов. Они обладают так называемой схемотехнической гибкостью, которая проявляется в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически), так и по базовой цепи (электрически). Выходная цепь транзисторных оптопар* может работать и в линейном, и в ключевом режиме. Ме­ханизм внутреннего усиления приборов обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока, так что в системах пользования отпадает необходимость вве-дения последующих усилительных каскадов. Важно, что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима. Выходные токи фототранзисторов значительно выше, чем, к примеру, у фотодиодов, поэтому они пригодны для коммутации широкого круга электрических цепей. Следует отметить, что эти особенности тем значительнее, что достигаются они при достаточной технологической простоте транзисторных оптопар. С учетом свойств оптронов и микро­-схем на их основе определились и основные направления применения техники. Оптроны и микросхемы эффективны для передачи информации между устройствами, не имеющими замкнутых электрических цепей, для получения и отображения ин­формации, а также с целью замены громоздких и неэффективных электромеханических изделий, включая потенциометры, реле и даже трансформаторы. Оптопары ОАО «Протон» ис­пользуются в промышленных контроллерах, оборудовании систем безопасности, источниках питания и в телекоммуникационных схемах. Сфера применения оптореле — АСУ предприятий, контрольно-измерительные приборы, интерфейсные устройства, системы связи и телекоммуникаций. Конденсаторы для силовой электроники Пленочные конденсаторы для силовой электроники, трехфазные конденсаторы для повышения коэффициента мощности и конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности производит московская компания «Нюкон». Для создания изделий силовой электроники, применяемых в качестве фильтровых и демпферных устройств (шунтирующих конденсаторов для тиристоров или силовых транзисторов) в диапазоне напряжений от 500 В до 3 кВ, используются лучшие отраслевые достижения, а также уникальная технология локализованного управляемого самовосстановления. В итоге это позволяет достигать в изделиях «Нюкон» высоких показателей объемной плотности энергии, делая их одними из лучших в сегменте компактных приборов. При использовании технологии локализованного управляемого само­восстановления конденсатор получается состоящим из нескольких десятков тысяч элементарных ячеек, каждая из которых защищена особыми предохранителями. Подобное решение позволяет отсоединить ячейку от общей цепи в случае ее короткого замыкания или электрического пробоя. При этом работоспособность конденсатора сохраняется. Приме­нение такой технологии неизбежно сказывается на емкости прибора, но снижение в этом случае крайне незначительно. В целом уменьшение емкости конденсатора в конце срока службы не превышает 5%. В производстве пленочных конденсаторов с полипропиленовым ди­электриком компания «Нюкон» ис­пользует «сухую» технологию. При­меняемый диэлектрик имеет постоянную диэлектрическую проницаемость (2,2) и постоянный тангенс ди­электрических потерь (2·10-4) в диапазоне частот до 1 МГц. Благо­даря этому материалу обеспечивается практическая неизменность емкости конденсатора под воздействием различных температур. Номенклатура продукции завода включает изделия различной емкости, рассчитанные на разные рабочие напряжения, максимальные токи и температуру. К примеру, конденсаторы серии FB2 могут выступать альтернативой приборам, изготовленным по другим технологиям, поскольку выдерживают большие значения пульсаций напряжения, имеют высокие действующие значения тока и большой срок службы. Эта серия разработана специально для фильтрации высших гармоник напряжения в цепях постоянного тока. Конденсаторы FB2 имеют малые значения собственных потерь. В конструкции приборов применяется «сухая» технология использования металлизированной полипропиленовой пленки с локальным управляемым самовосстановлением и уже упоминавшийся особый по составу полипропиленовый диэлектрик. Пос­ледний обеспечивает высокую электрическую прочность конденсатора при рабочей температуре до 85 °C. Низкое значение индуктивности (от 22 до 35 нГн) достигается особой конструкцией выводов и корпуса конденсатора. Корпус выполняется из пластика и заполняется экологически безопасной самозатухающей поли-уретановой смолой. Системы охлаждения Вопросы, связанные с разработкой систем охлаждения в приборах си­ловой электроники и радиоэлектронной аппаратуре, всегда занимали особое место. Появление более совершенных материалов и технологий, которые ведут к постоянному увеличению мощности активных элементов без заметного увеличения размеров конструкций — основного условия эффективного теплообмена — требует новых решений в области радиатор­ной и охладительной техники. Таких, например, какие находят в ОАО «Электровыпрямитель», специалисты которого занимаются и разработкой систем охлаждения. Модельный ряд выпускаемых изделий представлен охлаждающими системами для СПП большой мощности — воздушными охладителями типа 0193, водяными охладителями ОМ209. Для диодно-тиристорных модулей и модулей IGBT разработаны охладители-монолиты типа 055 и 056. Не так давно предприятие начало поставки высокоэффективных алюминиевых охладителей с запрессованными ребрами (серии 057) и водяной системой охлаждения (ОВ17, ОВ18 и ОВ27). Практически завершена работа над новым охладителем на основе высокоэффективного двухфазного термосифона с воздушным охлаждением ОДТ-163. ОАО «БНТ “Прибой”» (г. Санкт-Петербург) осуществляет контрактную разработку и производство базовых несущих конструкций для различной аппаратуры (силовых установок, ВЧ-генераторов, усилителей мощности) с учетом требований к тепловому режиму эксплуатации как отдельных элементов, так и устройств в целом. Предлагаемые предприятием охладители представляют собой сборные паяные радиаторы из меди, алюминиевых и медно-алюминиевых сплавов со стандартными размерами до 300?400 мм, минимальной толщиной ребра 0,3 мм и зазорами между ребрами в 1,2 мм. Компанией разработан оригинальный процесс пайки радиаторов, при которой толщина паяного шва не превышает 12 мкм по всей длине ребра, а также технология запрессовки ребер в основание прибора. Такие решения обеспечивают наибольшую эффективность теплообмена. Интересный результат получен инженерами «Прибоя» при создании единого несущего шасси для блока усилителей мощности радиопередающих устройств. В состав такого блока входит несколько габаритных печатных схем, которые требуют принудительного охлаждения. Сами выделяющие в этом случае тепло элементы (транзисторы, балластные резисторы, микросхемы), как правило, находятся на значительном удалении друг от друга, а их суммарная площадь теплопередачи составляет около 15% от площади печатных плат, на которых они смонтированы. Получается, что использование сборных радиаторов в качестве несущих конструкций плат нецелесообразно. Выход предложен такой: следует создавать комбинированные несущие шасси, содержащие в себе фрагменты сборных или стандартных (литых реберных либо игольчатых) радиаторов, формой и размерами соответствующих конструкции и температурному режиму тепловыделяющих элементов. Практика показала, что во многих случаях (например, в предварительных усилителях блоков усиления мощности или в источниках вторичного электропитания) применение комбинированных шасси является экономически более выгодным, чем стандартных литых радиаторов. Средства коммутации Нет никакого секрета в том, что выставка «Силовая электроника и энергетика» является успешным и значимым для широкого круга специалистов событием. Все объясняется тем, что организаторы деловых и выставочных мероприятий реально оценивают основные тенденции развития отрасли, проводят тщательный мониторинг рынка, а потому осуществляют такой подбор участников, который интересен представителям самых разных сфер производства, энергетики, транспорта и связи. В самом деле, если внимательно ознакомиться с предложениями того же холдинга «НЭВЗ-Союз» из Ново­сибирска, то можно понять, почему его продукцией интересуются и связисты, и приборостроители, и энергетики. Благодаря успешному сотрудничеству с ведущими научными центрами (Томским институтом прочности и материаловедения СО РАН, Всероссийским электротехническим институтом, Наноцентром Томского политехнического университета и др.) предприятия холдинга создают и поставляют на рынок большое разнообразие специальной продукции. Это, например, средства электроники — генераторная аппаратура СВЧ-диапазона для систем радиолокации и радионавигации, силовые полупроводниковые приборы (мощные кремниевые резисторы и силовые тиристоры). Одно из направлений производственной программы компании — выпуск вакуумной коммутационной аппаратуры, образцы которой были продемонстрированы на выставке. Новосибирский электровакуумный завод — крупнейшее подразделение холдинга — представил, в частности, типовой ряд вакуумных выключателей ВВ/ВКА-10-20/630, 1000 и 1600. Они предназначены для эксплуатации в сетях трехфазного тока частотой 50 Гц и номинальным напряжением до 10 кВ с изолированной и скомпенсированной нейтралью в нормальном и аварийном режимах. Изделия могут монтироваться в ячейках комплектных распредустройств внутренней и наружной установки, а также в камерах КСО. Определяющим элементом ваку­ум­ных выключателей являются ва­ку­умные дугогасительные камеры, ко­торые обеспечивают их основные коммутационные характеристики. Такие камеры производятся на еще одной промплощадке холдинга — в ЗАО «СЭЛ» («Союз-Электроника»). В изделиях применяется контактная система, генерирующая продольное (аксиальное) магнитное поле. Ка­меры имеют минимальные габариты и минимальное же дополнительное поджатие контактов, что также улучшает рабочие характеристики вык­лючателей. Контактная система камер в зависимости от типа состоит из индукторов с одним, двумя, четырьмя либо шестью полувитками. Проходящий через индукторы ток формирует продольное магнитное поле, которое удерживает и распределяет вакуумную дугу в пределах контактной системы равномерно по всей поверхности. С целью повышения эффективности работы камер используется специальный сердечник из магнитомягкого материала, который при намагничивании создает дополнительные условия для удержания дуги в пределах контактной системы. Кстати, это решение позволяет еще больше уменьшить диаметр камер. Кроме того, конструкция сердечника обеспечивает жесткость контакт­ной системы, которая необходима при возникающих электродинамичес­ких усилиях и ударных нагрузках. Дугогасительные камеры ЗАО «СЭЛ» изготавливаются по наиболее эф­фективной технологии бесштенгельной откачки и герметизации с применением керамических изоляторов собственного производства. Источники тока Недавно в Индии объявили об утверждении грандиозного инновационного проекта, предусматривающего дальнейшее освоение энергии солнца для широкомасштабного получения солнечного электричества. Сегодня в мире вырабатывается 16,5 ГВт солнечной энергии в год, из них на Индию приходится 3 ГВт. Согласно планам, эта солнечная страна уже к 2020 г. намерена получать до 20 ГВт электроэнергии ежегодно. Солнечное электричество — за счет окупаемости очень дорогого проекта — должно, тем не менее, уже в ближайшие 5 лет по цене сравняться с энергией, получаемой из ископаемого топлива. Экономисты прогнозируют в случае успеха проекта широкий поток инвестиций, который будет направлен в Индию, и значительный подъем всего промышленного производства страны, которая и сегодня демонстрирует значительные успехи во многих сферах. Но если для территории с большим числом солнечных дней в году и хорошим климатом энергия солнца как источник электричества не есть нечто несбыточное, то в условиях России это все-таки пусть и альтернативный, но не самый главный, а, скорее, дополнительный ресурс по­полнения энергопотенциала. Его будущее — в локальном применении солнечных батарей для электрификации объектов сельской местности, создания домашних солнечных сис­тем, обустройства замкнутых инженерных сетей водоснабжения, обеспечения работы местных телекоммуникационных объектов. На такую перспективу рассчитывают создатели солнечных модулей для автономных фотоэлектрических станций на Рязанском заводе ме­таллокерамических приборов. Одну из последних разработок представители предприятия показали на выставке. Солнечный модуль вы­полнен из 36 последовательно соединенных 156-миллиметровых мульти­кристаллических кремниевых элементов. Модуль оснащен двумя диодами, которые минимизируют потери мощности при затемнении. Основным материалом для него служит закаленное высокопрозрачное стекло с низким содержанием оксидов железа. Евгений Каршилов, фото автора