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.
11. Power Factor Correction. Product Profile 2003/2004. Published by Epcos AG. Ordering No EPC: 26011-7600. Germany. 2003.
12. Reactive Power Controller Prophi. Operating instructions. Janitza electronics GmbH. Dok Nr 1.020.009.a Serie II. Germany. 2003.
13. Thyristor Module TSM-Series. Published by Epcos AG. Germany. July 2006

Об авторе
Автор статьи — главный конструктор
ЗАО «МЕАНДР»
Е. Н. Васин