книги из ГПНТБ / Пушкарев, И. Ф. Бесконтактные электрические аппараты тепловозов

И. Ф . П УШ КА РЕВ

БЕС К О Н ТА К ТН Ы Е Э Л ЕКТРИ ЧЕС КИ Е А П П А Р А Т Ы

ТЕ П Л О В О З О В

МОСКВА «ТРАНСПОРТ» 1973

УДК 625.282 — 843.6.06

В книге описаны схемы, устройство и принцип рабо­ ты бесконтактных аппаратов, выполненных на полупро­ водниковой, магнитной и магнитно-полупроводниковой основе и применяемых на тепловозах 2ТЭ10Л, ТЭП60, ТЭ109 и др. Приведены характеристики аппаратов и особенности их эксплуатации.

Книга предназначена для инженерно-технических работников. Она может быть полезна локомотивным бригадам, слушателям технических школ и учащимся железнодорожных техникумов.

Рис45, библ. 8, табл. 6.

1

П 049(01)-73 119'73

Издательство «Транспорт», 1973.’

ОТ АВТОРА

Бесконтактные аппараты, созданные на полупроводниковых и магнитных элементах, получают все более широкое применение на тепловозах. По сравнению с электромеханическими устройствами (реле, контакторами, переключателями п т. д.) бесконтактные ап­ параты имеют ряд преимуществ: отсутствие подвижных контактов, быстродействие, высокая чувствительность, постоянная готовность к действию, высокий к.п.д., универсальность, малые затраты на обслуживание и ремонт, высокая надежность.

Рациональное использование бесконтактных устройств в схемах тепловозов дает возможность широко применить автоматизацию, улучшить технико-экономические характеристики энергетической установки, а также повысить безопасность движения и улучшить условия труда локомотивных бригад.

Дальнейшее увеличение мощности и усложнение энергетическо­ го оборудования, а также повышение скорости движения предопре­ деляют тенденцию к еще более широкому внедрению на теплово­ зах полупроводниковых, магнитных и бесконтактных логических элементов. Эта тенденция подтверждается уже сложившейся прак­ тикой применения таких элементов на тепловозах. Если на тепло­ возе ТЭЗ использовались лишь два селеновых выпрямителя, то работа современного мощного локомотива просто немыслима без участия большого количества бесконтактных аппаратов.

На отечественных тепловозах 2ТЭ10Л, ТЭП60, ТЭ109 и др, полупроводниковые и магнитные элементы применены как в дат­ чиках и аппаратах управления (тахометрическое устройство, реле времени, реле перехода, блок заряда батареи и т. д.), так и в слож­ ных регулирующих устройствах (системы возбуждения главного генератора и тяговых двигателей, регуляторы напряжения вспомо­ гательного генератора).

Передача переменного тока, разрабатываемая для тепловозов, также содержит в основе своей полупроводниковые и магнитные приборы: в силовой части — тиристоры и симисторы, в блоках уп­ равления — полупроводниковые и магнитные элементы.

В перспективе на тепловозах получат применение бесконтакт­ ные логические элементы, на которых уже выполнены опытные об­ разцы машины централизованного контроля и управления типа «Дельта» и системы «автомашинист». Бесконтактная логика зало­ жена также в основные блоки управления тепловозов с передачей переменного тока.

3

Ведутся работы по разработке и исследованию новых бескон­ тактных аппаратов и систем тепловозов в ряде научно-исследова­ тельских и учебных институтов: Всесоюзном научно-исследова­ тельском институте железнодорожного транспорта (ЦНИИ МПС), Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте (ВНИТИ), научно-исследовательском институте тяжелого и энер­ гетического машиностроения (НИИТЭМ), Московском (МИИТ), Ленинградском (ЛИИЖТ), Белорусском (БИИЖТ) институтах инженеров железнодорожного транспорта, а также на тепловозо­ строительных заводах и в других организациях.

Для эффективной эксплуатации бесконтактных аппаратов на тепловозах необходимы хорошие знания принципов их действия, схем соединения, основных правил ухода и настройки. Сложность изучения бесконтактных тепловозных аппаратов состоит как во все растущем числе и многообразии их схем, так и в отсутствии до сих пор их систематизации и описания в едином литературном ис­ точнике.

В книге все многочисленные и разнообразные по назначению и исполнению бесконтактные аппараты систематизированы и разде­ лены по их физической структуре на три группы: полупроводнико­ вые, магнитные и магнитно-полупроводниковые. Внутри каждой группы аппараты разделяются в зависимости от выполняемых функций на датчики, регуляторы, аппараты управления и т. д. Та­ кая систематизация дала возможность, кроме описания конкрет­ ных аппаратов, осветить общие для каждой группы аппаратов ос­ новы конструкции и принципы работы, а также особенности их эксплуатации.

Автор выражает благодарность канд. техн. наук Л. К. Филип­ пову, замечания которого способствовали улучшению содержания и формы изложения материала книги.

4

Г л а в а I

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ АППАРАТЫ

Основные характеристики полупроводниковых приборов и их использование

в тепловозных аппаратах

Принцип действия полупроводниковых приборов. Полупровод­ никами называются материалы, занимающие по электрическим свойствам промежуточное положение между проводниками и изо­ ляторами. Полупроводники составляют основу современной элек­ троники и получили широкое применение в автоматике, вычисли­ тельной технике, радиотехнике, подвижном составе и т. д. Из полу­ проводниковых материалов главным образом кремний и германий используются для изготовления полупроводниковых приборов.

В обычных условиях полупроводниковые материалы, имеющие кристаллическое строение, характеризуются закономерным и упо­ рядоченным расположением атомов в так называемой кристалли­ ческой решетке. Связь между атомами в решетке образуется внеш­ ними (валентными) электронами, которые взаимодействуют не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов.

Электропроводность в полупроводниковых материалах может возникнуть при нагревании их и воздействии лучей света. Это объ­ ясняется искажением кристаллической решетки атома и отрывом от нее слабо связанных электронов. Такого рода электропроводность полупроводников в обычных условиях в миллионы раз меньше электропроводности металлов.

Полупроводники в определенных условиях приобретают элек­ тропроводность, не уступающую электропроводности металлов. Та­ кие условия создаются, если в кристалл чистого полупроводника вводится примесь с определенной электронной структурой. При вве­

электронов. Так как электроны — это основные носители электриче­ ства, то полупроводник приобретает проводимость, называемую элек­ тронной проводимостью, или проводимостью типа п (от первой бук­ вы слова negative — отрицательный). В этом случае полупровод­ ники называются отрицательными, или полупроводниками типа п.

Движение примесных электронов в полупроводнике (собствен­ ное движение или под действием электрического поля) сопровож­ дается противоположно направленным движением дырок, под ко­ торыми понимаются освободившиеся места в электронных связях атомов после ухода электронов. Дырка может быть представлена

5

положительным зарядом, равным заряду электрона. Понятие «дырка» принято условно с целью упрощения рассуждений о слож­ ном процессе электронно-дырочной проводимости. В книге [1] дви­ жение электронов и дырок образно сравнивается с последователь­ ным перемещением зрителей в театре с заднего ряда при уходе с переднего ряда одного или нескольких зрителей. Перемещающиеся к переднему ряду зрители подобны электронам, а движущиеся к заднему ряду пустые места — дыркам. От преобладания в таком движении электронов или дырок зависит тип проводимости. Оче­ видно, что в полупроводнике с электронной проводимостью дырки—■ не основные носители электричества.

Количество дырок в полупроводнике увеличивается, если в не­ го ввести примеси (индий и др.), в атомах которых меньше элек­ тронов, чем в атомах полупроводника. При этом дырки будут ос­ новными носителями электричества, а электроны — неосновными. Полупроводник приобретает дырочную проводимость, или прово­ димость типа р, и называется положительным, или полупроводни­ ком типа р (от первой буквы слова positive — положительный).

При соединении двух пластинок кремния или германия с раз­ личным типом проводимости на границе их раздела у .каждой пла­ стины образуется слой противоположно заряженных ионов, кото­ рые в граничных слоях (электронно-дырочном переходе, или р—«-

(или потенциальный барьер) для основных носителей электриче­ ства. Толщина электронно-дырочного перехода составляет доли микрона и колеблется в зависимости от изменения внешних и внут­ ренних факторов (наличие внешнего электрического поля, света, температуры, количества примесей и т. д.).

Два полупроводника, образующих электронно-дырочный пере­ ход, резко проявляют свои свойства при подключении к источнику тока. Подадим плюс на полупроводник с проводимостью типа « и минус — на полупроводник с проводимостью типа р (рис. 1,а). При этом из отрицательного полупроводника электроны уйдут на положительный полюс, а из положительного — дырки на отрица­ тельный полюс, значительно возрастает ширина р—«-перехода, а значит, и его сопротивление. Приложенное к переходу суммарное на­ пряжение внешнего источника £/вни внутреннего потенциала Дперпрепятствует движению основных носителей электричества. В резуль­ тате ток I обр , протекающий в цепи, будет мал. Напряжение и ток, соответствующие подключению полупроводника по такой схеме {п — плюс, р — минус), называют обратным напряжением и об­ ратным' током.

6

чивается только сопротивлением самого перехода и внешней цепи, в которую он включен. Такое включение (п — минус, р — плюс) называют прямым, а характеризующие его ток и напряжение — прямым током и прямым напряжением.

Таким образом, система из двух полупроводников с проводи­ мостью разного типа, образующая р—«-переход, обладает одно­ сторонней проводимостью и используется для вентильного управ­ ления электрическими цепями.

Рис. 1. Схема включения электронно-дырочного перехода в обратном

(а) и прямом направлениях (б) и графики образования потенци­ ального сопротивления

При комбинации различного числа слоев с р—«-проводимостя­ ми могут быть получены полупроводниковые структуры с различ­ ными электронными свойствами, а именно:

1) двухслойная структура р—п с одним р—«-переходом, кото­ рая служит основой для изготовления диодов;

2 ) трехслойная структура р—п—р или п—р—п с двумя перехо­

дами, которая используется для изготовления триодов (транзисто­ ров) ;

3)четырехслойная структура р—п—р—п, являющаяся основой для создания тиристоров;

4)пятислойная структура п—р—п—р—п, являющаяся основой для создания симметричных тиристоров (симисторов).

Каждый из этих полупроводниковых приборов подразделяется на большое количество типов, классов и групп в зависимости от конструктивного выполнения, мощности, габарита, диапазона ра­ бочих частот и других основных параметров.

Диоды. Применение диодов в бесконтактных тепловозных аппа­ ратах обусловлено их вентильными и выпрямляющими свойствами, а также возможностью с высокой степенью точности поддержи­

7

вать постоянное напряжение в отдельных цепях, изменять направ­ ление тока в цепях без их переключения. В зависимости от номи­ нального значения прямого тока принято различать полупровод­ никовые диоды (ток до 10 а), маркируемые буквой Д с соответству­ ющими порядковыми номерами, и вентили (ток от 10 до 1000 а), обозначаемые буквой В с соответствующими буквами и цифрами. На базе простого диода созданы диоды специального назначения:

стабилитроны (опорные диоды), симметричные диоды и др.

О с н о в н ы е п а р а м е т р ы

3)номинальное обратное напряжение Дном, обр — амплитудное значение напряжения в запирающем направлении;

4)обратный ток / обр при номинальном обратном напряжении, приложенном к диоду.

Для эксплуатации важны также перегрузочная способность и температурный режим диодов. Основные параметры диода (венти­

ля) указываются в его паспорте или могут быть установлены из его вольт-амперной характеристики (рис. 2), представляющей со­ бой график нелинейной зависимости тока, преходящего через при­ бор, от приложенного к нему напряжения при установившемся ре­ жиме и определенной температуре. Характеристика состоит из двух ветвей: проводящего направления (справа от оси ординат) и не­ проводящего (слева от оси ординат).

Для большей наглядности масштабы обеих ветвей различны (прямой ток в амперах, а обратный в миллиамперах; прямое паде­ ние напряжения в долях вольта, а обратное напряжение в воль­ тах).

Вольт-амперная характеристика диода условно разделяется на три области: область насыщения и две области пробоя. В области насыщения ток насыщения, проходящий через диод, очень мал и практически не зависит от приложенного напряжения. В двух об­ ластях пробоя (в прямом и обратном направлениях) ток через диод нарастает очень быстро при незначительном превышении порого­ вого напряжения U0 — в прямом направлении и пробивного на­

8

пряжения t/проб — в обратном направлении. Влияние температуры на форму вольт-амперной характеристики показано на примере кремниевого вентиля ВК-200 (см. рис. 2).

Величина падения прямого напряжения Д£/Пр зависит от типа диода, качества полупроводника и т. д. Значение этого параметра при номинальном прямом токе составляет для германиевых дио­

делах в зависимости от условий охлаждения. Мощность на вентиле в прямом направлении, определяемая приближенно по формуле ДЯ = /прД(Упр , должна быть рассеяна в виде тепла в окружаю­ щую среду. Для каждого типа диода устанавливается допустимый номинальный ток длительного режима, которому должно строго соответствовать наличие определенного охлаждения и теплоотво­

кратная перегрузка допустима в течение 3 сек, двукратная — 0,8 сек, трехкратная — 0,2 сек.

Для предотвращения выхода вентилей из строя из-за перегруз­ ки и теплового пробоя в выпрямительных схемах предусматрива­ ется их защита автоматическими выключателями, предохраните­ лями и т. д. Защитные устройства выбираются таким образом, чтобы они отключали преобразовательную установку или ее эле­ менты до выхода вентилей из строя.

В реальных условиях выход из. строя полупроводникового дио­ да произойдет не только при превышении / ном в прямом направле­ нии, но также и при превышении некоторого максимального значе­ ния Uпроб в обратном направлении. Для каждого диода установ­ лено определенное номинальное обратное напряжение U0бр. ном и соответствующий ему максимальный обратный ток, при которых он может работать длительное время без опасности пробоя. Обыч­

па диода и изменяется в пределах 15—200 в для германиевых вен­ тилей и 50—1000 в для кремниевых. В зависимости от величины этого напряжения диоды подразделяются на ряд классов. Для кремниевых и германиевых диодов классы обозначаются цифрами 0,15, ...1, ...10, которым соответствует U 0бр. ном—15, ...10, ..., 1000 в.

ГОСТ 10662—63 «Вентили силовые полупроводниковые не­ управляемые германиевые и кремниевые» предусматривает клас­ сификацию диодов и их маркировку. Например, надпись на кор­ пусе ВК-200-5А означает: В — вентиль, К — кремниевый по сплавной технологии, 200 — номинальный ток в амперах в пря­

9