Тиристоры, тиристорные ячейки, модули и контроллеры в управлении реактивной мощностью.

Анонс: Полупроводниковые ключи в сетях низкого напряжения. Тиристоры, тиристорные ячейки, модули и контроллеры. Тиристорные модули и контроллеры в управлении реактивной мощностью.

Силовые сети низкого (до 1 кВ) напряжения промышленных, непромышленных объектов, инфраструктуры ПГТ, городов, мегаполисов сегодня фактически построены на электроприводах, потребляющих более 60% всей генерируемой энергии. В свою очередь управление, как электроприводом, так и техническими средствами компенсации реактивной мощности, позволяющими экономить до 30% объема энергопотребления, осуществляется с помощью схем на полупроводниковых приборах – диодах, транзисторах, тиристорах и их модификациях.

По факту полупроводники служат бесконтактными «бездуговыми» переключателями, постепенно вытесняющими с рынка электромеханические (электромагнитные) контакторы, лучшие версии которых способны работать только в простейшем режиме коммутации «включено-выключено» и имеют реальный срок службы от нескольких месяцев до пары лет (см. подробнее о сроках службы и интенсивности отказов компонентов силовой электроники в серии статей компании «Миркон» здесь)

Справка: Значение полупроводниковых ключей для увеличения надежности, долговечности и энергопотребления силовых сетей сложно переоценить и еще в 60-х годах по инициативе ФТИ им. Иоффе, ВЭИ им. Ленина и при поддержке саранского завода «Электровыпрямитель» был заложен фундамент отрасли силовое полупроводниковое приборостроение. В действительности Советский Союз лидировал в разработке полупроводников на базе монокристаллического кремния буквально с момента появления первого биполярного транзистора (Bipolar Power Transistor - ВРТ) в 1948 году, Silicon Controlled Rectifier или SCR-тиристора в 1952, силового полупроводникового диода в 1954 и далее с 1960 по 90-е годы прошлого века - GTO-тиристора, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) и IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторов, GCT (Gate Commutated Thyristor) и IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor) тиристоров. В новом веке почти весь объем прогрессивных MOSFET и IGBT транзисторов, IGCT тиристоров импортируется в Россию, а инновационные разработки ФТИ им. Иоффе в области новых полупроводниковых ключей на базе карбида кремния - реверсивно включаемых динисторов с быстрой ионизацией (тиристорных и транзисторных секций с общим коллектором) пока не реализованы в промышленном производстве.

Тиристоры, тиристорные ячейки, модули и контроллеры.

Предельно упрощенно тиристор – проводит ток в одном направлении, открывается и запирается подачей положительного и отрицательного напряжения на управляющий электрод, а для работы в сетях переменного тока тиристоры группируют в ячейки со встречно-параллельным подключением. Ячейки или тиристорные ключи на полууправляемых монополярных тиристорах работают с естественной коммутацией нагрузки (выключение только по силовой цепи при смене полярности напряжения). Тиристорные ключи на биполярных симметричных тиристорах типа GCT или IGCT – с искусственной (принудительной) коммутацией, т.е. открываются и закрываются по предопределенному алгоритму, основанному на фазовом или широтно-импульсном управлении.

Тиристорный модуль включает наборку тиристорных ключей (ячеек), блоки управления и принудительной коммутации (для полностью управляемых ключей), может быть частью тиристорного (или гибридного релейно-тиристорного) контроллера, полностью автономным (см. здесь) или интегрируемым в контроллеры (см. тиристорные модуля серии TSM от TDK Electronics, DCTL от LOVATO Electric, BEL-TS от BELUK, EXTHARM от Legrand). Тиристорные модуля управляются сигналами с транзисторных выходов логических контроллеров, тиристорный контроллер – самоуправляемый и дополнительно имеет блоки защиты, управления с возможностью программирования, коммутации с информационными сетями АСУ ТП, АИИС и пр.

Тиристорные модули и контроллеры в управлении реактивной мощностью.

С помощью тиристорных модулей или контроллеров обеспечивается долговечное, оперативное и надежное управление, как конденсаторными батареями-ячейками установок компенсации реактивной мощности, так и декомпенсирующими реакторами - Thyristor Controlled Reactor (TCR) и Thyristor Switched Reactor (TSR) (см. более детально о TCR и TSR – реакторах в этом материале)

Управление конденсаторными батареями и реакторами с помощью тиристорных ключей принципиально различается. Для ограничения бросков тока и перенапряжений в конденсаторных батареях тиристорный ключ открывают, когда равны или близкие по амплитуде мгновенное значение напряжения силовой сети и напряжение в месте подключения ячейки, а закрывают при переходе тока в ключе через ноль.

Вместе с тем, при управлении IGCT ключами, как TSR – реакторами, так и конденсаторными батареями можно регулировать генерацию реактивной энергии (емкостного и индуктивного характера) с помощью изменения угла фазы или частотно-импульсной модуляции.

Прогрессивными на текущий момент являются комбинированные контроллеры с релейными (контакторными) и тиристорными модулями – разными по настройке для управления конденсаторными батареями и TSR (TCR) реакторами.

Мощность реактора, работающего для декомпенсации набросов емкостных токов от конденсаторной ступени, обычно подбирают равной мощности конденсаторной батареи, но при наличии в сети постоянно работающей индуктивной или емкостной нагрузки мощность реактора может быть соответственно меньше или больше, что определяется мониторингом параметров сети, в том числе по спектру гармоник.