Тиристорные контакторы для коммутации низковольтной емкостной нагрузки
Для защиты силовых конденсаторов установок компенсации реактивной мощности (УКРМ) от перенапряжений, которые могли бы возникнуть за счет наложения их остаточного потенциала и напряжения сети, переключение конденсаторных батарей (КБ) должно проводиться с временной задержкой. Интервал включения ступеней УКРМ обусловлен требованиями стандарта IEC 831 к времени t (не более 180 с) и уровню разряда силовых конденсаторов U перед повторным включением КБ (не более 10% от номинального напряжения батареи Uном.КБ), а также необходимостью отстройки от кратковременных колебаний реактивной мощности (РМ) в компенсируемой сети. При этом значение t, в зависимости от сопротивления разрядного модуля R и емкости С одной фазы КБ, определяется по выражению [2]:
В среднем стандартные резисторные модули осуществляют разряд (1) металлопленочных косинусных силовых конденсаторов типа PhaseCap и PhiCap [3, 4] за 60 с [5]. Возможное подключение некоторыми сериями электромеханических конденсаторных контакторов параллельно резисторным модулям КБ дополнительных разрядных сопротивлений [1] снижает значение t(1) и, соответственно, интервал включения ступеней УКРМ до единиц секунд [6]. Однако даже такая скорость переключения не позволяет реализовать функцию компенсации РМ в режиме реального времени, ограничивая применение УКРМ для больших групп технологического оборудования с квазистационарным режимом работы. Поэтому при резком изменении РМ нагрузки в течение небольшого периода применяется быстродействующая безынерционно регулируемая так называемая «динамическая компенсация» — Dynamic Power Factor Correction [3].
В подобных системах компенсации РМ вместо электромеханических используются тиристорные контакторы (ТК), управление которыми производится от внешнего источника постоянного тока напряжением 10-24 В через транзисторные выходы специальной модификации регулятора РМ (рис. 1), например, серии BR6000-T или Prophi-Т [3, 4, 7]. Поскольку низковольтные КБ соединяются в «треугольник», тиристорный контактор содержит только два встречно-параллельных симисторных ключа [2-4], включение которых, благодаря встроенной микропроцессорной схеме «нулевого потенциала», происходит при равенстве мгновенных линейных напряжений сети и соответствующих фаз КБ (рис. 2), а отключение — в момент, близкий к переходу фазных токов батареи через нулевое значение. Вследствие этого коммутационные броски тока в компенсируемой сети будут крайне незначительны (рис. 3) — на порядок меньше, чем при включении КБ электромеханическими конденсаторными контакторами [1]. Это позволит с минимальным временем выдержки регулятора РМ [2-4, 7] поочередно подключать ступени УКРМ и быстро достичь баланса РМ, соответствующего заданному на регуляторе значению коэффициента мощности — cos ф, так как тиристорный контактор переключается в течение нескольких миллисекунд (табл. 1, 2). Комплектация контакторов TSM (табл. 1) специальным высоковольтным разрядным резистором EW-22 [3] сокращает время разряда КБ (1) и соразмерное ему время переключения ступеней УКРМ до ≤ 20 мс. Стандартные резисторные модули [5] или разрядные дроссели (discharge reactors) [2-4] использовать в КБ, управляемых тиристорным контактором, нельзя. Режим перекомпенсации при резком сбросе РМ нагрузки исключается за счет возможного форсированного отключения КБ ступеней — снятием управляющего сигнала (подачей логического «0» — рис. 2) одновременно на вход всех ранее активированных ключей тиристорных контакторов ступеней УКРМ.

Рис. 1. Блок-схема транзисторны); выходов регулятора РМ серии В R6000

Рис. 2. Временная диаграмма включения тиристорного контактора

Рис. 3. Осциллограмма пускового тока КБ при коммутации тиристорного контактора


Фаза L2 (S) компенсируемой сети присоединяется непосредственно к зажиму КБ, минуя тиристорный контактор (рис. 4). Отметим, что аналогичный вариант 2-фазной схемы коммутации применяется в компактных электромеханических конденсаторных контакторах типа BF… 4A [6]. Система самоконтроля контакторов TSM-C, TSM-AT верифицирует последовательность чередования фаз сети подключения (R, S, T — рис. 4) и температурный режим тиристорного контактора, а интегрированная схема измерения — значение тока и напряжения КБ (табл. 1). В случае превышения допустимых пределов данных параметров тиристорный контактор блокируется, срабатывает его аварийное реле и выдается предупреждение о сбое в работе контактора. Таким образом, в равной степени обеспечивается защита не только ключей тиристорного контактора, но и КБ.

Рис. 4. Схема подключения ТК типа TSM к компенсируемой сети
Текущее состояние тиристорного контактора отображает светодиодная индикация, расположенная на передней стороне корпуса (рис. 4). Контактор TSM-AT имеет встроенный дисплей, воспроизводящий меню уставок контролируемых параметров, их фактическое значение и текстовые сообщения о возможных ошибках, в дальнейшем сохраняемые в памяти [4]. Для ручного управления во всех модификациях тиристорного контактора предусмотрена тестовая кнопка «Activation» [2-4].
В устройствах динамической компенсации РМ между выходами тиристорного контактора и коммутируемой КБ ступени устанавливается трехфазный токоограничивающий дроссель (в системе EPCOS AG серии BD с током термической перегрузки до 100 А) или, при значительном уровне сетевых гармонических искажений, крайне неблагоприятном для теплового режима силовых конденсаторов, специальный фильтрующий дроссель [2-4], но тогда, в зависимости от принятой степени частотной расстройки контура «фильтрующий дроссель — КБ», номинальное напряжение силовых конденсаторов ступеней должно быть увеличено на 10-20% [8].
Кроме того, наличие токовых перегрузок КБ, связанных с большой частотой переключений, повышает требования к надежности конструкции активной части косинусных силовых конденсаторов [9].
Учитывая высокую скорость переходных процессов, защита ступеней УКРМ динамических систем от короткого замыкания осуществляется электронными быстродействующими предохранителями (табл. 1). Установка широко распространенных в ступенях КБ управляемых электромеханическими контакторами плавких предохранителей категории HRS с защитной (ампер-секундной) характеристикой gL/gG не допускается [3, 4].
Положительные эксплуатационные качества тиристорного контактора — плавный режим коммутации, высокое быстродействие, повышенный срок службы — обосновывают целесообразность их использования в УКРМ сетей промышленного электроснабжения вместо релейно-контакторной электромеханической аппаратуры.
- Шишкин С. А. Электромеханические контакторы для коммутации низковольтных конденсаторных батарей // Силовая электроника. 2005. № 1.
- Конденсаторы, дроссели, автоматические регуляторы для компенсации реактивной мощности. ELECTRONICON Kondensatoren GmbH Gera. Germany. 2003.
- Power Factor Correction. Product Profile 2004. Published by EPCOS AG. Ordering No EPC: 26012-7600. Germany. 2004.
- Power Factor Correction. Product Profile 2003/2004. Published by EPCOS AG. Ordering No EPC: 26011-7600. Germany. 2003.
- Easy-to-mount discharge resistor module // EPCOS Components. 2005. № 1.
- Lovato electric. Компоненты для автоматизации в промышленности. Общий каталог 2003-2004. Italy. 2004.
- Reactive Power Controller Prophi®. Operating instructions. Janitza electronics GmbH. Dok Nr 1.020.009.a Serie II. Germany. 2003.
- Шишкин С А. Фильтрующие антирезонансные дроссели конденсаторных установок // Электрика. 2004. № 7.
- Шишкин С. А. Использование косинусных конденсаторов в схемах низковольтных фильтрокомпенсирующих устройств // Компоненты и технологии. 2004. № 8.