Управляемые реакторы, коммутируемые тиристорными ключами (Thyristor Switched)

Анонс: Реакторы с тиристорными ключами в сетях высокого, среднего и низкого напряжения. Чем отличаются низковольтные TCR и TSR - реакторы, регулируемые и переключаемые тиристорными ключами. TCR и TSR реакторы в трехфазных сетях.

Thyristor Controlled/Switched Reactor (тиристорно управляемый/переключаемый реактор) – общее название силовой индуктивной катушки (ГОСТ 18624), коммутируемой с сетью бесконтактными (или гибридными контактно-бесконтактными) полупроводниковыми ключами вентильного типа.

Наибольшее распространение реакторы с тиристорными ключами (англ. switch — выключатель, переключатель, коммутатор) Thyristor Controlled Reactor (TCR) и Thyristor Switched Reactor (TSR), а также их гибриды (TSC – TCR Configuration) с коммутируемыми тиристорами конденсаторами (Thyristor Switched Capacitor - TSC) получили в сетях среднего и высокого напряжения с разработкой систем регулирования баланса мощности STATic COMрensator (STATCOM), Static Synchronous Series Сompensator (SSSC), Unified Power-Flow Controller (UPFC) и др. (см. этот материал).

В сетях низкого напряжения реакторы, коммутируемые тиристорными ключами, активно применяют в ШИМ преобразователях, устройствах плавного пуска электродвигателей, а для систем компенсации реактивной мощности стали использовать сравнительно недавно и, главным образом, в целях нивелирования рисков перекомпенсации с ее негативами для сети и нагрузок (см. более детально здесь), а также стабилизации сетевого напряжения.

Чем отличаются низковольтные TCR и TSR - реакторы, регулируемые и переключаемые тиристорными ключами.

Формально (по терминологии действующего ГОСТ 18624) TCR и TSR – шунтирующие (п. 39 стандарта) компенсирующие (п. 45) реакторы параллельного включения, являющиеся регулируемыми, если переключающее устройство интегрировано в конструкцию самого реактора (п. 10). Т.е. при внешнем вентильном переключателе (отдельный модуль или встроенный/встраиваемый в интеллектуальный контроллер) это TSR, при интегрированном в конструкцию – TCR. Хотя по факту ключевым отличием между TCR и TSR являются тиристоры в ячейках переключателя, которые могут быть монополярными однооперационными полууправляемыми (в схему добавляются диоды), биполярными двухоперационными (встречно-параллельного подключения - Gate Turn-off Thyristor (GTO), коммутируемые через затвор Gate Commutated Thyristor (GCT), с формирующим импульсы управления драйвером Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT)), биполярными несимметричными (один из тиристоров в ячейке полууправляемый).

Наряду с этим, полностью управляемые GTO тиристоры ячейки в паре со встречно-параллельным подключением закрываются при переходе тока через нулевое значение и открываются в момент равенства напряжений на нагрузке и в сети, что используется для нивелирования (соответственно) перенапряжений и бросков тока при отключении и включении ступеней установок компенсации реактивной мощности на бесконтактных тиристорных ключах (УКРМТ). Коммутируемые через затвор и особенно IGCT позволяют открывать и закрывать тиристоры по установленному углу управления и дискретно подавать напряжение на нагрузку по принципу фазового регулирования или широтно-импульсной модуляции и, в совокупности с реактором (или конденсаторами) по факту являются управляемыми тиристорными источниками реактивной мощности.

Т.е. если в тиристорной ячейке используются полностью управляемые биполярные тиристоры, то на ее базе может быть собран тиристорный модуль (свитч), позволяющий регулировать мощность индуктивной нагрузки, а значит и TCR, и TSR – коммутируемые тиристорами реакторы, и только тип тиристора определяет работу модуля, как обычного включателя/выключателя, или контроллера, управляющего выходной мощностью подключенной нагрузки-индуктивности.

Лучшие решения создаются на основе Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) тиристоров, включение и отключение которых происходит за счет изменения угла управления α1 и α2 (α1 всегда равен α2) встречно-параллельно подключенными тиристорами VS1 и VS2 (см. рис. ниже).

При увеличении угла управления в диапазоне α > π/2 ток в реакторе уменьшается и снижается мощность нагрузки, время включения тиристоров в регулируемом ключе с искусственной коммутацией не более 0.001 секунды, в свитчах с естественной коммутацией – половина периода частоты сетевого тока или 0.01 секунды (электромагнитные (электромеханические) контакторы имеют время включения порядка 0.04 и выключения 0.02 секунды).

TCR и TSR реакторы в трехфазных сетях.

TSR (или TCR) для сетей среднего и высокого напряжения построены на реакторах со стальным сердечником, низковольтные – с воздушным, что позволяет удерживать линейность вольтамперной характеристики, исключить риски перехода в режим насыщения с генерацией гармоник спектра (и амплитуд) 6-тиипульсного ШИМ преобразователя (см. Спектр гармонических искажений по току и напряжению импульсных ШИМ преобразователей здесь).

В трехфазных сетях с нулевым проводом тиристорные ячейки работают аналогично однофазным («а» на рис. ниже), в сетях без нулевого провода нагрузки-реакторы подключаются «треугольником» («г» на рис. ниже) или «звездой», а ячейки по схеме «звезда» («б» на рис. ниже) или «треугольник» («в» на рис. ниже).

Для снижения нагрузки на тиристоры в TSR (или TCR) могут использоваться гибридные контактно-бесконтактные ключи-ячейки, в которых сначала импульсом управления включается соответствующий тиристор, а потом контактор, имеющий меньшее сопротивление, чем полупроводниковый ключ и шунтирующий полупроводник, что увеличивает перегрузочную способность гибридного ключа. Выключение происходит в обратном порядке – сначала контактор, потом тиристор и это нивелирует риски образования дуги при отключении контакта, повышает ресурс и частоту коммутаций.

Как внешние (вариант TSR), так и интегрированные в конструкцию реактора (TCR) тиристорные свитчи с искусственной коммутацией на базе управляемых тиристорных ячеек подключаются к интеллектуальному контроллеру, имеющему транзисторные выходы. Причем у ряда брендовых производителей тиристорные модули выполнены в виде отдельных автономных блоков, которые просто адаптируются или напрямую интегрируются в контроллер (см. тиристорные модуля серии TSM от TDK Electronics, DCTL от LOVATO Electric, BEL-TS от BELUK, EXTHARM от Legrand, а также тиристорные свитчи CDP).