Особенности коммутации конденсаторов УКРМ тиристорными коммутаторами - Часть 1

 В статье рассматриваются с одной стороны, основные схемы включения тиристорных коммутаторов для коммутации конденсаторов в установках компенсации реактивной мощности, с другой стороны, делается попытка сравнения функциональных возможностей и особенностей эксплуатации тиристорных коммутаторов различных производителей, представленных на рынке России.
 
 Коммутаторы называются "тиристорными", потому что в качестве ключа в них используются полупроводниковые управляемые диоды – тиристоры. Особенность тиристоров 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 1,1-1,3В. Это приводит к выделению на нём 1,1-1,3Вт 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 566  (при сетевом 400В). 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.
 
Коммутатор с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.

 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 566В (при сетевом 400В).
  • 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=Ur²/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).
 
Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя  полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.
Рис. 4 Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.
 
Достоинства:
  • 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 270В (относительно нулевого провода).
 
Коммутатор с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров.
По этой схеме выпускаются:
  • Линейка коммутаторов CTU-02-400, мощностью от 10 до 72 квар ф. BMR (Чехия) (рис.5).
 
Рис. 5  Двухфазный коммутатор с 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)
 
Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя  полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров.
   
Рис. 6 Трёхфазный коммутатор с тремя  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 выпускаются:
  • Линейка коммутаторов МТК-3 мощностью от 15 до 120 квар, ф. МЕАНДР (СПб, Россия)
  • Линейка коммутаторов BEL-TS мощностью 50, 100 и 300 квар ф. Beluk (Германия).
 
Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя  полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров включённых по схеме "разорванный треугольник"
Рис. 7 Трёхфазный коммутатор с 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.
  • Для обеспечения быстрой коммутации не требуется быстрый разряд конденсаторов. Резисторы выбираются исходя из моображений безопасности персонала.
  • 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).
 
Коммутатор с трёхфазной коммутацией тремя  полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров, включённых по схеме "звезда с нейтралью"
Рис. 8 Трёхфазный коммутатор с 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).
 
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. http://ukrm.ru/content/view/50, http://www.kmb.cz.
3. "KATKA 20/80 - Operating Manual" http://www.kmb.cz/index.php/en/.
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, - http://www.bmr-trading.com/ru/
8. "CTU-03 Thyristor switching module for fast PF compensation", BMR, - http://www.bmr-trading.com/ru/
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 - http://sashthapower.com/pdf/.
 
Автор статьи - Главный конструктор ЗАО "МЕАНДР" Е.Н. Васин
 
Статья размещена в отраслевом научно-производственном журнале "Автоматизация и ИТ в энергетике", № 8(73) август 2015, стр.24-28
Скачать pdf-файл статьи можно здесь - Скачать
 
Русский
Орфографическая ошибка в тексте:
Чтобы сообщить об ошибке технической поддержки, нажмите кнопку "Отправить сообщение об ошибке". Вы также можете отправить свой комментарий.