Особенности коммутации конденсаторов УКРМ тиристорными коммутаторами (часть 1)

  Коммутаторы называются "тиристорными", потому что в качестве ключа в них используются полупроводниковые управляемые диоды – тиристоры. Особенность этих приборов в том, что они во включённом состоянии проводят электрический ток только в одном направлении.
  Для коммутации переменного тока применяют два, включённых встречно-параллельно тиристора. Один пропускает ток при положительной полуволне сетевого напряжения, второй – при отрицательной. Вторая особенность тиристоров в том, что включить его можно в любой момент времени, но выключаются они только при снижении тока, практически до нулевого значения, т.е. в конце каждого полупериода сетевого напряжения. В начале каждого последующего полупериода его снова надо включать. В паре со специальной схемой управления, включающей тиристор в момент, когда напряжение на нём практически равно нулю (zero crossing), тиристор можно считать почти "идеальным" для коммутации переменного тока. В отличии от электромеханического контактора, тиристорный ключ имеет целый ряд серьёзных преимуществ для коммутации конденсаторов в УКРМ :
  1) Включение тиристора происходит только при совпадении сетевого напряжения и напряжения на конденсаторе, т.е. при нулевом токе через конденсатор.
  2) Полное отсутствие искрения и дугообразования при коммутации.
  3) Неограниченный ресурс по числу коммутаций.
  4) Большое быстродействие. Время включения трёхфазного коммутатора составляет менее 5 миллисекунд, что позволяет создавать УКРМ с динамической компенсацией реактивной мощности в режиме реального времени.

Но полностью заменить электромеханические контакторы тиристоры, пока не могут. Им присущи несколько серьёзных недостатков:
  1) Рассеиваемая мощность. На каждом тиристорном ключе падает напряжение, примерно 1, 1-1, 3 в. Это приводит к выделению на нём 1, 1-1, 3 Вт тепловой мощности на каждый ампер коммутируемого тока.
  2) Как следствие, увеличенные размеры. Для обеспечения нормального теплового режима работы, тиристоры устанавливаются на специальные охладители с естественным или принудительным охлаждением.
  3) Пока, к сожалению, тиристорные коммутаторы значительно дороже электромеханических контакторов.

Сравнение функциональных возможностей и особенностей эксплуатации тиристорных коммутаторов, представленных на рынке России

  На российском рынке сегодня представлены тиристорные коммутаторы нескольких фирм-производителей, принципиально отличающихся количеством коммутируемых фаз (2 или 3) и конструкцией ключа. Большая часть производителей применяет в своих коммутаторах более дешёвые диодно-тиристорные ключи, состоящие из включённых встречно-параллельно неуправляемого диода и управляемого тиристора.

 

                  Рис. 1

Эквивалентная схема полупроводникового ключа, выполненного из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.
В выключенном состоянии такой ключ представляет собой однополупериодный выпрямитель при этом на выходе коммутатора присутствует постоянное напряжение минус 534 В (при сетевом 380В). Это накладывает некоторые ограничения (см. ниже), но не мешает нормальной коммутации конденсаторов в УКРМ.
В остальных случаях применяются тиристорно-тиристорные ключи, состоящие из двух включённых встречно-параллельно тиристоров.

 

    Рис. 2

Эквивалентная схема полупроводникового ключа, выполненного из встречно-параллельно включённых тиристоров. 

Такой ключ на переменном токе, практически, эквивалентен механическому ключу и не накладывает никаких ограничений на коммутацию и работу конденсаторов в УКРМ.
Благодаря своей относительной дешевизне, в России наиболее распространены двухфазные коммутаторы с диодно-тиристроными ключами.

На рисунке 3 представлена схема подключения такого коммутатора. Конденсаторы могут быть подключены, как "треугольником", так и "звездой".

          

Рис. 3

Коммутатор с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.

Достоинства;
- Простота конструкции, относительная дешевизна, так как коммутируются только две фазы.
- Меньшая, чем у трёхканальных коммутаторов мощность потерь (тепловыделение).
  Недостатки;
- В выключенном состоянии коммутатора напряжение на конденсаторе С2 равно нулю, на конденсаторах С1 и С3 присутствует опасное для жизни персонала напряжение минус 534 В (при сетевом 380В).
- Из-за наличия постоянного напряжения на выходе коммутатора нельзя использовать разрядные дроссели.
- Разрядные резисторы надо выбирать исходя из воздействия на них постоянного высокого напряжения (Ur= Uлин*1.41).
- В выключенном состоянии ступени, на резисторах выделяется мощность: P=U²r/R=(Uлин*1.41)²/R, во включённом состоянии: - P=Uлин²/R, т.е. в 2 раза меньше.
Из известных автору, по этой схеме выпускаются линейки коммутаторов:
- BEL-TS H2 мощностью от 25, 50, 75, 100 и 300 квар ф. Beluk (Германия).
- DSTM3 мощностью 30, 50 и 100 квар ф. Lovato (Италия).
- TSM-LC мощностью 10, 25, 50, 200 квар и TSM-HV мощностью 50 квар ф. Epcos (Германия).

   

Рис. 4

Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.

  Достоинства;
- В выключенном состоянии коммутатора напряжение на конденсаторах С1, С2 и С3 равно нулю.
- Можно использовать разрядные дроссели.
- Разрядные резисторы выбираются исходя из воздействия на них только линейного сетевого напряжения (Ur= Uлин).
  Недостатки;
- Дороже, так как коммутируются три фазы.
- Мощность потерь (тепловыделение) в 1.5 раза больше, чем у двухканальных коммутаторов.
- В выключенном состоянии коммутатора на всех выходных клеммах коммутатора присутствует опасное для жизни персонала средневыпрямленное напряжение минус 260В (относительно нулевого провода).
По этой схеме выпускаются;
- Линейка коммутаторов CTU-02-400, мощностью от 10 до 72 квар ф. BMR (Чехия).

                          

Рис. 5
Коммутатор с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров.

  Достоинства;
- Простота, относительная дешевизна.
- Меньшая, чем у трёхканальных коммутаторов мощность потерь (тепловыделение).
- Можно использовать разрядные дроссели.
- Разрядные резисторы выбираются исходя из воздействия на них линейного сетевого напряжения (Ur= Uлин).
- В выключенном состоянии после разряда, напряжение на конденсаторах С1, С2 и С3 равно нулю.
  Недостатки;
- В выключенном состоянии коммутатора на выходных клеммах коммутатора присутствует фазное напряжение 220В (относительно нулевого провода).
По этой схеме выпускается линейка коммутаторов МТК-2 мощностью от 15 до 120 квар, ф. МЕАНДР (СПб, Россия)

   

Рис. 6
Коммутатор с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров.

  Достоинства;
- В выключенном состоянии коммутатора на всех выходных клеммах коммутатора напряжения нет, напряжение на конденсаторах С1, С2 и С3 равно нулю (при разряженных конденсаторах).
- Можно использовать разрядные дроссели.
- Разрядные резисторы выбираются исходя из воздействия на них линейного сетевого напряжения (Ur= Uлин).
  Недостатки;
- Дороже, так как коммутируются три фазы.
- Мощность потерь (тепловыделение).В 1.5 раза больше, чем у двухканальных коммутаторов.
По этой схеме выпускается линейка коммутаторов МТК-3 мощностью от 15 до 120 квар, ф. МЕАНДР (СПб, Россия)

 

Рис. 7
Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров включённых по схеме "разорванный треугольник".

  Достоинства;
- Эта схема позволяет достичь максимально возможной скорости коммутации ступеней (до 25 раз в секунду), так как для включения тиристоров, имеющих сему детектирования нуля («Zero Crossing») условия включения тиристоров выполняются всегда, независимо от напряжения на конденсаторах.
- В выключенном состоянии коммутатора напряжения на конденсаторах С1, С2 и С3 равно нулю (при разряженных конденсаторах).
- Разрядные резисторы выбираются исходя из воздействия на них линейного сетевого напряжения (Ur= Uлин).
- Ток через тиристоры в 1, 73 раза меньше, чем в других схемах.
  Недостатки;
- Дороже, так как коммутируются три фазы.
- Работает только с однофазными конденсаторами.
- Более сложный монтаж.
- Мощность потерь (тепловыделение).В 1.5 раза больше, чем у двухканальных коммутаторов.
По этой схеме могут быть подключены:
- все коммутаторы МТК-3 ф. МЕАНДР (СПб, Россия)
- коммутаторы BEL-TS мощностью 50, 100 и 300 квар ф. Beluk (Германия).
- Линейка коммутаторов BEL-TS мощностью 50, 100 и 300 квар ф. Beluk (Германия).

    

Рис. 8

Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров, включённых по схеме "звезда с нейтралью".

  Достоинства;
- Эта схема позволяет достичь максимально возможной скорости коммутации ступеней (до 25 раз в секунду), так как для включения тиристоров, имеющих схему детектирования нуля («Zero Crossing»), условия включения тиристоров выполняются всегда, независимо от напряжения на конденсаторах.
- В выключенном состоянии коммутатора напряжения на конденсаторах С1, С2 и С3 равно нулю (при разряженных конденсаторах).
- Разрядные резисторы выбираются исходя из воздействия на них фазного сетевого напряжения (Ur= Uлин).
- Позволяет использовать коммутаторы на 400В в сети с линейным напряжением 690В.
  Недостатки;
- Дороже, так как коммутируются три фазы.
- Работает только с однофазными конденсаторами.
- Мощность потерь (тепловыделение) в 1.5 раза больше, чем у двухканальных коммутаторов. По этой схеме могут быть подключены коммутаторы;
- МТК-3 ф. МЕАНДР (СПб, Россия).
- TSM-HV50 мощностью 50 квар ф. Epcos (Германия).

Конец первой части.

Литература;
1. Шишкин С.А. "Тиристорные контакторы для коммутации низковольтной емкостной нагрузки", Силовая электроника, №2, 2005.
2. "Тиристорные коммутаторы КАТКА и основные проблемы их применения в системах компенсации ", Milan Bleha, KMB systems, s.r.o.
3. "KATKA 20/80 - Operating Manual"
4. "Discharge resistor EW-22", EPCOS AG, 2010, B44066T0022E400.
5. "Discharge Reactor ", EPCOS AG, 2004, B44066E9900S001.
6. "Installation and maintenance instructions for thyristor modules TSM-HV series" EPCOS AG, 2011.
7. "CTU-02 Thyristor switching module for fast PF compensation", BMR,
8. "CTU-03 Thyristor switching module for fast PF compensation", BMR,
9. "Thyristor switch for reactive current compensation. User manual" KBR, EDEBDA0200-2112-1_EN.
10. Power Factor Correction. Product Profile 2005. Published by Epcos AG. Ordering No EPC: 26013-7600. Germany. 2005. - 103p.
11. Power Factor Correction. Product Profile 2003/2004. Published by Epcos AG. Ordering No EPC: 26011-7600. Germany. 2003. - 87p.
12. Reactive Power Controller Prophi. Operating instructions. Janitza electronics GmbH. Dok Nr 1.020.009.a Serie II. Germany. 2003. - 56p.
13. Thyristor Module TSM-Series. Published by Epcos AG. Germany. July 2006

Об авторе
Автор статьи - Главный конструктор ЗАО "МЕАНДР" Е.Н. Васин

Размещено компанией Электроэнергетика -Дуговые защиты,реле, счетчики, датчики