Особенности коммутации конденсаторов УКРМ тиристорными коммутаторами
09.09.2014
Васин Е.Н.  Image
Гл. конструктор
ЗАО "МЕАНДР"


Введение

    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 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. Первый 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.


Image
Рис.1 Эквивалентная схема полупроводникового ключа, выполненного из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.

 


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.

 


Image
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-тиристорными ключами.

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

Image
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 534В (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).

 

Image
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).

 

 

 

 

Image
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)


Image
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)


Image

 

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).


Image

 

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).



Анализ процесса включения и выключения конденсаторных батарей различными тиристорными коммутаторами и особенности их работы.


   Для лучшего понимания процессов включения и выключения рассмотрим процесс коммутации конденсаторной батареи коммутатором МТК-3 см. рисунки 9 и 10. Этот коммутатор единственный из доступных автору трёхканальный коммутатор, ключи которого состоят из трёх встречнопараллельно включённых тиристоров, а значит могут коммутировать как положительную, так и отрицательную полуволны сетевого напряжения. Другими словами его работа близка к идеальной. Все остальные коммутаторы имеют ключи другой конструкции и поэтому имеют определённые особенности коммутации, о чём будет рассказано ниже.
 

 

Image
Рис.9 Схема коммутации конденсаторов коммутатором МТК-3 с трёхфазной коммутацией тремя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых тиристоров.

 


Измерения напряжений на конденсаторах произведены относительно нулевого провода сети N.


Image
Рис.10 Осциллограмма включения и выключения конденсаторной батареи коммутатором МТК-3

 


Как видно из осциллограммы, до поступления команды на включение ступени все ключи закрыты и напряжение на конденсаторах близко к нулевому. В течении 10мс включаются все три тиристорных ключа. После поступления команды на отключение ступени, тиристоры закрываются на ближайшем по времени нуле тока, т.е. при смене полярности тока заряда конденсатора. Это время (tоткл), как правило, составляет менее 10 мс. После отключения конденсаторы остаются заряженными до некоторого напряжения, взависимости от момента отключения.

Многие производители тиристорных коммутаторов заявляют время включения тиристорного коммутатора не более 5мс. Это не совсем так. Это, как правило, время от момента включения первого ключа до включения последнего. Для двухфазных коммутаторов это время на 1/3 меньше, чем у трёхфазных, так как коммутируются только две фазы. Реально суммарное время включения, от момента подачи команды на включение ступени до включения последнего ключа, для некоторых моделей коммутаторов, может составлять почти 30 мс. Это зависит от особенностей (точности) работы узла включения и схемы "детектирования нуля", т.е. совпадения напряжения на конденсаторе и сетевого напряжения Ucети=Uконд.

Рассмотрим особенности работы двухфазного коммутатора с диодно-тиристроными ключами BEL-TS H2 мощностью 25 квар ф. Beluk (Германия). На рисунке 11 представлена схема подключения такого коммутатора.

Image
Рис.11 Схема коммутации конденсаторов коммутатором BEL-TS H2 с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.

 


Как видно из схемы подключения фаза L2 подключена напрямую к выводу 2 конденсатора, это значит, что независимо от того включена ступень или нет, напряжение в этой точке всегда будет равно напряжению фазы L2. Фазы L1 и L3 подключены к кондесаторам через ключи коммутатора к выводам 2 и 3 соответственно. Так как ключи состоят из встречно-параллельно включённых диода и тиристора, конденсаторы заряжаются через открытый диод ключа до амплитудного значения линейного напряжения, т.е. конденсаторы С1 и С3 оказываются заряженными до напряжения Uс=Uлин*1.41, т.е. напряжение в точках 1 и 3, относительно точки 2 равно примерно минус 536 В (при линейном напряжении сети 380 В). При этом конденсатор С2 остаётся разряженным, т.е. напряжение между точками 1 и 3 конденсатора равно нулю.

 

Рассмотрим процесс включения/выключения конденсаторов с помощью этого коммутатора на осциллограмме (см. рисунок 12).

 


Image
Рис.12 Осциллограмма включения и выключения конденсаторной батареи коммутатором BEL-TS H2.

 


 

 

В выключенном состоянии коммутатора, до поступления команды на включение ступени, напряжение на выводе 2 трёхфазного конденсатора равно фазному, так как он подключён напрямую к одной из фаз (на рисунке - канал 2, голубая линия). На двух других выводах конденсатора (выводы 1 и 3 конденсатора на рисунке 3, каналы 3 и 4, зелёная и красная линии) присутствует переменное относительно нулевого провода, но постоянное относительно вывода L2 напряжение равное по величине амплитудному линейному напряжению: Uс= Uлин*1.41, т.е. примерно минус 536 В. В выключенном состоянии ступени УКРМ два из трёх конденсаторов постоянно заряжены до амплитудного значения линейного напряжения. Вряд ли постоянное нахождение конденсаторов под напряжением продлевает срок их службы. Именно наличие постоянного напряжения на конденсаторах обусловило появление в различной технической литературе запрета на использование разрядных дросселей для разряда конденсаторов совместно с тиристорными коммутаторами [1, 14, 16, 17, 18]. Правда, на самом деле, этот запрет касается только коммутаторов с двухфазной коммутацией двумя полупроводниковыми ключами, состоящими именно из встречно-параллельно включённых диода и тиристора. Все остальные типы коммутаторов прекрасно работают с разрядными дросселями (см. таблицу ниже).

При поступлении команды на включение ступени (канал 1 – жёлтая линия) все тиристоры включатся только через время tвкл. Это время определяется особенностью схемы управления коммутатором и варьируется от нескольких миллисекунд до, почти, тридцати миллисекунд. Может быть это особенность работы только экземпляра, имеющегося у автора? - Неизвестно. Но в результате такой работы при попытке осуществить динамическую компенсацию реактивной мощности в реальном времени может возникнуть большая ошибка компенсации при импульсных нелинейных нагрузках.

Закрытие тиристоров происходит менее чем за 10 мс.

Выводы:

- Из-за наличия постоянного напряжения на выходе, с этим коммутатором нельзя использовать разрядные дроссели.

- Разрядные резисторы надо выбирать исходя из воздействия на них постоянного высокого напряжения (536 В).

- 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.

 

Теперь рассмотрим работу коммутатора с аналогичными диодно-тиристорными ключами, но только коммутирующего все три фазы. По аналогичной схеме выполнен коммутатор CTU-02-400 ф. BMR (Чехия), - см. рисунок 13.

Image
Рис.13 Схема коммутации конденсаторов коммутатором CTU-02-400 с трёхфазной коммутацией тремя полупроводниковыми ключами, состоящими из встречно-параллельно включённых диода и тиристора.

 

 

Image
Рис.14 Осциллограмма включения и выключения конденсаторной батареи коммутатором CTU-02-400, ф. BMR (Чехия)

 


На рисунке 14 хорошо видно, что в выключенном состоянии коммутатора, до поступления команды на включение ступени, напряжение на всех выводах трёхфазного конденсатора равно выпрямленному фазному напряжению, так как коммутатор, благодаря наличию в ключах неуправляемых диодов, выполняет функцию трёхфазного однополупериодного выпрямителя. При этом все три конденсатора разряжены. При поступлении команды на включение все три ключа включаются в течении времени tвкл.

С этим коммутатором можно безбоязненно использовать разрядные дроссели.

А как же быть с грозными предупреждениями о невозможности применения разрядных дросселей с тиристорными коммутаторами?

Например:

- "При коммутации конденсаторной батареи тиристорными контакторами различной модификации [2, 3, 10] разрядные дроссели применять нельзя, так как это приведёт к короткому замыканию силовых электронных ключей по цепи постоянного тока" [1].

- "In dynamic PFC systems discharge reactors cannot be used (this would be a short circuit of the high-voltage DC)!" [14]

- "…Интервал переключения конденсаторной установки во время автоматического режима работы можно снизить при помощи подключения разрядного дросселя с двумя V-образными обмотками взамен разрядных резисторов. Такая замена позволяет увеличить допустимое число разрядов конденсаторных батарей за одинаковые интервалы времени в 2-2,5 раза. Но при коммутации ступеней конденсаторных батарей тиристорными контакторами разрядные дроссели применять запрещено!" [17].

- "…Использовать стандартные разрядные резисторные модули или разрядные дроссели не допускается." [18].

Хотя этот "запрет" касается всего-лишь трёх типов коммутаторов из моделей, представленных ниже в таблице:


Image
Таблица1 Сравнение тиристорных коммутаторов

 


 

Указанные в таблице особенности работы тиристорных коммутаторов справедливы для следующих моделей;

- BEL-TS H2 мощностью от 25, 50, 75, 100 и 300 квар ф. Beluk (Германия).

- BEL-TS ф. Beluk (Германия).

- TSM-HV50 ф. Epcos (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).

- CTU-02-400, мощностью от 10 до 72 квар ф. BMR (Чехия)

 

Выводы:

  1. Прежде, чем приступить к разработке УКРМ с коммутацией конденсаторов тиристорными коммутаторами необходимо внимательно изучить все нюансы их работы.
  2. Если тип и модель коммутатора ещё не определены и есть свобода выбора - рекомендую остановить свой выбор на тиристорных коммутаторах с тиристорно-тиристорными ключами (правда тип ключа, как правило, производители не пишут, ограничиваясь общим названием – тиристорный ключ). Это позволит, для ускорения разряда конденсаторной батареи, безбоязненно применять разрядные дроссели.
  3. В большинстве случаев оправдано применение 2-х фазных тиристорных коммутаторов. Они на 1/3 меньше выделяют тепла чем 3-х фазные, меньше по габаритам и дешевле.
  4. Применение 3-х фазных тиристорных коммутаторов оправдвно в некоторых специфических условиях. Например; коммутация конденсаторов по схеме "разорванный треугольник", использование коммутаторов на рабочее напряжение 400В в сети с линейным напряжением 690В включённых по схеме "звезда с нейтралью".

Применение тиристорных коммутаторов со встроенными предохранителями позволит неувеличивать объёмы шкафа УКРМ и уменьшить объём монтажных работ.


 

 

Литература:
 

1.      1.Шишкин С.А. "Тиристорные контакторы для коммутации низковольтной емкостной нагрузки", Силовая электроника, №2, 2005.

2.      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.      3."KATKA 20/80 - Operating Manual" http://www.kmb.cz/index.php/en/.

4.      4."Discharge resistor EW-22", EPCOS AG, 2010, B44066T0022E400.

5.      5."Discharge Reactor" , EPCOS AG, 2004, B44066E9900S001.

6.      6.  "Installation and maintenance instructions for thyristor modules TSM-HV series" EPCOS AG, 2011.

7.      7. "CTU-02 Thyristor switching module for fast PF compensation", BMR, - http://www.bmr-trading.com/ru/download/manuals/category/3-power-factor-correction?download=7%3Actu02-en

8.      8. "CTU-03 Thyristor switching module for fast PF compensation", BMR, - http://www.bmr-trading.com/ru/download/manuals/category/3-power-factor-correction?download=8%3Actu03-en

9.      9. "Thyristor switch for reactive current compensation. User manual" KBR, EDEBDA0200-2112-1_EN.

10     10. Power Factor Correction. Product Profile 2005. Published by Epcos AG. Ordering No EPC: 26013-7600. Germany. 2005. - 103p.

11     11. Power Factor Correction. Product Profile 2003/2004. Published by Epcos AG. Ordering No EPC: 26011-7600. Germany. 2003. - 87p.

12     12. Reactive Power Controller Prophi. Operating instructions. Janitza electronics GmbH. Dok Nr 1.020.009.a Serie II. Germany. 2003. - 56p.

Статья опубликована с рарешения автора.

При перепечатке и цитировании ссылка на источник обязательна.