Тиристорные контакторы для коммутации конденсаторных батарей

Наиболее распространенным устройством компенсации реактивной мощности (РМ) в системах промышленного электроснабжения являются автоматизированные низковольтные конденсаторные установки (КУ) с коммутацией ступеней конденсаторных батарей (КБ) специальными электромеханическими контакторами (пускателями). Временной интервал задержки переключения ступеней (в среднем около 60 с), обусловленный требованиями стандарта IEC 60831 к уровню разряда КБ перед повторным включением и отстройкой от кратковременных колебаний РМ в компенсируемой сети, ограничивает применение данных КУ для больших групп технологического оборудования (cварочного, подъемно-транспортного, кузнечно-прессового и т.д.). Поэтому при резкопеременной индуктивной нагрузке применяется так называемая "динамическая компенсация РМ" - Dynamic Power Factor Correction [1, 2], т.е. компенсация РМ в режиме реального времени, существенно расширяющая функциональные возможности использования КУ, но требующая комплектации установки специальными типами полупроводниковых контакторов (пускателей) и регуляторов РМ.

В быстродействующих системах динамической компенсации РМ вместо электромеханических используются тиристорные контакторы (пускатели), управление которыми производится от внешнего источника постоянного тока напряжением 15…30 В через транзисторные выходы специальных модификаций регуляторов РМ, например, BR6000-T или "Prophi"-Т [1, 2]. Так как включение встречно-параллельных тиристорных ключей в двух фазах контакторов TSM-LC происходит при равенстве мгновенных линейных напряжений (для имеющих три тиристорных ключа контакторов TSM-AT, TSM-HV50 - фазных напряжений) сети и соответствующих фаз КБ, а отключение - в момент близкий к переходу фазных токов КБ через нулевое значение, коммутационные броски тока в компенсируемой сети будут крайне незначительны [2]. Это позволяет с минимальным временем задержки регулятора [1-3] практически одновременно включать несколько ступеней КУ и быстро достичь баланса РМ, соответствующего заданному значению коэффициента мощности регулятора, так как переключение контакторов TSM происходит в течение нескольких миллисекунд (табл. 1). Режим перекомпенсации при резком сбросе РМ нагрузки исключается за счет одновременного отключения КБ. Комплектация контакторов TSM-LC25/TSM-LC50 специальным низкоомным разрядным резистором EW-22 [1] сокращает время допустимого разряда КБ и соразмерное ему время переключения ступеней КУ до ≤ 20 мс [2].

tiristor-grafik.jpg

Рис. 1. Осциллограмма тока включения КБ тиристорным контактором (пускателем)

Примечания к рис. 1. "Control signal" - сигнал на включение тиристорного контактора (пускателя) от автоматического регулятора; "Capacitor current" - ток через КБ.

В устройствах динамической компенсации РМ (рис. 1, 3, 6, 7) между выходами тиристорного контактора (пускателя) и КБ ступени регулирования устанавливаются однофазные токоограничивающие дроссели или, при значительном уровне сетевых гармонических искажений крайне неблагоприятного для теплового режима конденсаторов, специальный трехфазный фильтрующий дроссель [1, 2], но тогда, в зависимости от степени частотной расстройки контура "фильтрующий дроссель-КБ", номинальное напряжение конденсаторов ступеней должно быть увеличено на 10…20% [2].

Встроенная система самоконтроля тиристорных контакторов (пускателей) TSM верифицирует последовательность чередования фаз сети и температуру внутри контактора (для TSM-AT, TSM-HV, TSM-LC200), а схема измерения - значение тока (TSM-AT) и напряжения КБ [1, 2, 4-7]. В случае превышения допустимых пределов данных параметров тиристорный контактор (пускатель) блокируется, срабатывает его аварийное реле и выдает предупреждение о сбое в работе. Текущее состояние тиристорного контактора (пускателя) отображает светодиодная индикация, расположенная на передней стороне корпуса. Контакторы (пускатели) типа TSM-AT (рис. 2) имеют встроенный диплей на котором отображаются уставка параметров из меню, измеренные значения параметров и, сохраняемые в памяти, сообщения об ошибках в виде обычного текста с возможностью выбора языка. Кроме того, контакторы TSM-AT дополнительно осуществляют контроль тока в фазах конденсаторов и температуры радиаторов тиристоров (при достижении критических значений данных параметров ступени КУ могут быть отключены). Для ручного управления тиристорными контактороми (пускателеми) типа TSM-AT предусмотрена тестовая кнопка [1, 2, 6]. Учитывая высокую скорость переходных процессов, защита ступеней КУ систем динамической компенсации РМ от перегрузки и короткого замыкания осуществляется быстродействующими ("superfast") плавкими предохранителями ножевого типа (NH): диапазон отключения - g, категории использования - R или RL (рис. 2, 4, 6, 8, табл.1).

tiristor400.jpg

Рис. 2. Схема включения ступени КБ автоматизированной КУ тиристорным контактором (пускателем) типа TSM-LC производства Epcos AG

Примечания к рис. 2. 1). Фаза L2(S) подключается непосредственно к дросселю КБ. При иной последовательности подключения фаз встроенная система контролируемых параметров (табл. 1) блокирует работу тиристорного контактора (пускателя). 2). Использовать стандартные разрядные резисторные модули не рекомендуется, а использование разрядных дросселей не допускается. 3). Конденсаторы батареи ступени регулирования соединены "треугольником".

tiristor600.jpg

Рис. 3. Внешний вид тиристорного контактора типа TSM-AT производства Epcos AG

tiristor600shema.jpg

Рис. 4. Схема включения ступени КБ автоматизированной КУ тиристорным контактором (пускателем) типа TSM-AT производства Epcos AG

Примечания к рис. 4. 1). При неправильной последовательности чередования фаз L1-L3 (подключены через отдельную группу предохранителей параллельно силовой цепи) встроенная система контролируемых параметров (таблица) блокирует работу тиристорного контактора (пускателя). 2). Использовать стандартные разрядные резисторные модули не рекомендуется, а использование разрядных дросселей не допускается. 3). Контрольные точки контактора (пускателя) типа TSM-AT: 1 и 2 - наличие сигнала управления от регулятора, =15...30 В; 3 и 4 - аварийный выход (нулевой потенциал), максимум 250 В, 6 А; точки 5 и 6 не задействованы. 4). Конденсаторы батареи ступени регулирования соединены "звездой" (используются однофазные конденсаторы). Внимание! Конденсаторы подключены к сети даже при отключенных полупроводниковых ключах тиристорного контактора (пускателя). 5). Тиристорный контактор (пускатель) работает только при наличии нейтрали в сети подключения. На схеме показано получение нулевой рабочей точки в трехфазной системе с изолированной нейтралью при помощи установки дополнительного реактора (neutral electromagnetic couper). Обмотки реактора соединены в "зигзаг".

tiristor690.jpg

Рис. 5. Внешний вид тиристорного контактора (пускателя) TSM-HV50 производства Epcos AG.

tiristor690shema.jpg

Рис. 6. Схема подключения тиристорного контактора (пускателя) типа TSM-HV50 производства Epcos AG

Примечания к рис. 6. 1). При неправильной последовательности чередования фаз L1-L3 или отсутствии одной (двух) фаз, встроенная система контролируемых параметров блокирует работу тиристорного контактора (пускателя). 2). Использовать стандартные разрядные резисторные модули не рекомендуется, а использование разрядных дросселей не допускается. 3). Конденсаторы батареи ступени регулирования соединены "звездой" (используются однофазные конденсаторы). Внимание! Конденсаторы подключены к сети даже при отключенных полупроводниковых ключах тиристорного контактора (пускателя). В схемах компенсации РМ без фильтрующих реакторов номинальное напряжение однофазных конденсаторов - 400 В, в расстроенных (detuned) цепях с коэффициентом расстройки 7% - 440 В, а с коэффициентом 14% - 480 В. 5). Тиристорный контактор (пускатель) работает только при наличии нейтрали (N) в сети подключения.

С июля 2006 г. компания "Epcos AG" расширила номенклатуру тиристорных контакторов (пускателей) серии TSM новыми типоразмерами [4, 5] - TSM-HV50 (рис. 4-5, табл. 1, 2) - для управления конденсаторных батарей, соединенных "звездой" [5] и TSM-LC200 (рис. 6-7, табл. 1, 2), предназначенным для управления конденсаторных батарей, соединенных "треугольником". Шины выводов контактора TSM-HV50 - C1, C2, C3 (рис. 4-5) рассчитаны на присоединение кабеля сечением до 25 мм2. Выведенная на переднюю панель светодиодная индикация показывает наличие на контакторе напряжения фаз L1, L2, L3 компенсируемой сети и сбой в работе контактора (пускателя). Схема контактора (пускателя) TSM-HV50 периодически проводит контроль температуры, напряжения и исправность подключенных конденсаторов. Масса тиристорного контактора (пускателя) TSM-HV50 - 5 кг [5]. В фильтрокомпенсационных цепях (с коэффициентом расстройки до 14%), для оптимизации переходных процессов при переключении, микропроцессор контактора (пускателя) TSM-HV50 контролирует сглаживание гармоник. Минимальное расстояние при монтаже от верха и низа не менее 100 мм.

Шины выводов контактора TSM-LC200 - C1, C3, L1, L3 (рис. 5, 7) рассчитаны на присоединение кабеля сечением до 135 мм2. Выведенная на переднюю панель светодиодная индикация аналогична индикации состояния тиристорных контакторов (пускателей) серии TSM-LC. Масса тиристорного контактора (пускателя) TSM-LC200 - 11,5 кг [4].

tiristor200.jpg

Рис. 7. Внешний вид тиристорного контактора (пускателя) TSM-LC200 производства Epcos AG. Минимальное расстояние при монтаже от верха и низа не менее 150 мм.

tiristor200shema.jpg

Рис. 8. Схема подключения тиристорного контактора (пускателя) типа TSM-LC200 производства Epcos AG

Примечания к рис. 8. 1). Фаза L2(S) подключается непосредственно к дросселю КБ. При иной последовательности подключения фаз встроенная система контролируемых параметров (табл.1) блокирует работу тиристорного контактора (пускателя). 2). Использовать стандартные разрядные резисторные модули не рекомендуется, а использование разрядных дросселей не допускается. 3). Максимальное напряжение при установке токоограничивающего реактора или фильтрующего (detuning) реактора с коэффициентом частотной расстройки 7% - 440 В, а в случае установки реактора (дросселя) с коэффициентом частотной расстройки 14% - 480 В [4].

С ноября 2006 года компания "Epcos AG" выпускает компактный (массой 1,75 кг) тиристорный контактор (пускатель) - TSM-LC10 (рис. 9) для коммутации соединенных "треугольником" КБ мощностью до 12,5 квар (табл. 1, 2). Как и все предыдущие тиристорные контакторы серии TSM, новый полупроводниковый модуль TSM-LC10 обеспечивает высокое быстродействие и оптимизацию режима переключения КБ. Схема включения контактора (пускателя) TSM-LC10 [7] соответствует схеме представленной на рис. 2.

tiristor10.jpg

Рис. 9. Внешний вид тиристорного контактора типа TSM-LC10 производства Epcos AG

Таблица 1. Технические данные тиристорных контакторов TSM-AT, TSM-LC, TSM-HV50 производства "Epcos AG" [1, 2, 4-7]

Параметр Номинальное значение
Напряжение 3×400 В; для TSM-HV50, TSM-AT - 3×660 В - 50/60 Гц
Максимальная мощность подключаемых КБ Тип TSM-LC10; 12,5 квар. Тип TSM-LC-25; 25 квар. Тип TSM-LC-50; 50 квар, TSM-LC200; 200 квар. Тип TSM-HV50; 50 квар при напряжении сети 690 В, TSM-AT 690; 100 квар при напряжении сети 690 В, 75 квар при напряжении сети 440 В. Для увеличения выходной мощности возможно параллельное включение нескольких контакторов
Напряжение управления От внешнего источника с постоянным напряжением 15...30 В
Время переключения Примерно 5 мс
Контролируемые параметры Напряжение (наличие и значение); последовательность подключения фаз; ток КБ. Для TSM-AT также температура контактора
Силовая цепь Двухфазная, со специальным разрядным резистором EW-22 (2×22 кОм, 1200 В, 2×50 Вт) - для TSM-LC. Трехфазная - для TSM-HV50, TSM-AT
Мощность рассеивания Для TSM-LC10 (при 400 В/12,5 квар) - 35 Вт; TSM-LC25 - 75 Вт; TSM-HV50 (при 690 В/50 квар) - 125 Вт; TSM-LC50- 150 Вт; TSM-LC200 - 580 Вт (при 400 В/200 квар)
Предохранители Быстродействующие плавкие предохранители (NH00AC690V): для TSM-LC10 - номинал 35 А; TSM-LC25, TSM-HV50 (при подключении емкостной нагрузки 25 квар) - 63 А; TSM-LC50, TSM-HV50 (при подключении емкостной нагрузки 50 квар) - 125 А; TSM-C50 - 160 А; TSM-AT - 160 А; TSM-LC200 - предохранители NH2AC690V, защитная характеристика gRL, номинал при подключенной емкостной нагрузки РМ 125 квар - 315 А, 150 квар - 350 А, 200 квар - 450 А
Размеры 162×150×75 мм (TSM-LC10);190× 157×200×180 мм (TSM-LC); 157×200×195 мм (TSM-HV50); 250×480×160 мм (TSM-LC200); 300×300×200 мм (TSM-AT)
Температура окружающей среды (при номинальной загрузке) -10°C…+55°C
Монтажная позиция Вертикальная; минимальное расстояние между контакторами, а также от верха и днища корпуса - 100…150 мм (в зависимости от типа)

Таблица 2. Коды заказа тиристорных контакторов (пускателей) для систем динамической компенсации РМ производства "Epcos AG" [1, 2, 4-7]

Наименование Тип Код заказа
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-LC10 B44066T0010E402
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-LC25 B44066T0025E402
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-LC50 B44066T0050E402
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-LC200 B44066T0200E402
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-HV50 B44066T0050E690
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-AT 690* B44066T0100E690
Тиристорный контактор (пускатель) TSM-AT 525* B44066T0100E525
Токоограничивающий дроссель BD-100 B44066T0100E400
Разрядный резистор EW-22 B44066T0022E400

Примечание: *соответственно на максимальное напряжение 690 и 525 В [2].

В таблицах 3 и 4 представлены рекомендации компании "Epcos AG" по подбору компонентов для комплектации ступеней конденсаторных установок динамической компенсации РМ.

Таблица 3. Компенсируемая сеть: Uном. = 400 В, fном. = 50 Гц

Мощность ступени, квар Тип контактора Код заказа контактора Номинальное напряжение трехфазного конденсатора, В Подобранная емкость, мкФ Тип конденсатора Код заказа конденсатора Сечение проводников (медь), мм*2 Рекомендуемый номинал предохранителя, А**
10,0 ТSM-LC10 B44066-T0010-E402 440 3×66 1×MKK440-D-12,5-01 1×B 25667-B4207-A375 6 3×35(NH00)
12,5 ТSM-LC10 B44066-T0010-E402 440 3×83 1×MKK440-D-15-01 1×B 25667-B4247-A375 6 3×35(NH00)
15,0 ТSM-LC25 B44066-T0025-E402 440 3×100 1×MKK440-D-18,8-01 1×B 25667-B4207-A375 10 3×35(NH00)
20,0 ТSM-LC25 B44066-T0025-E402 440 3×133 1×MKK440-D-25-01 1×B 25667-B4417-A375 10 3×50(NH00)
25,0 ТSM-LC25 B44066-T0025-E402 440 3×166 1×MKK440-D-30-01 1×B 25667-B4307-A375 16 3×63(NH00)
30,0 ТSM-LC50 B44066-T0050-E402 440 3×199 2×MKK440-D-18,8-01 2×B 25667-B4307-A375 16 3×80(NH00)
40,0 ТSM-LC50 B44066-T0050-E402 440 3×265 2×MKK440-D-25-01 2×B 25667-B4417-A375 25 3×100(NH00)
50,0 ТSM-LC50 B44066-T0050-E402 440 3×332 2×MKK440-D-30-01 2×B 25667-B4497-A375 25 3×125(NH00)
75,0 ТSM-LC25+ТSM-LC50 B44066-T0025-E402+ B44066-T0050-E402 440 3×498 3×MKK440-D-30-01 3×B 25667-B4497-A375 16+25 3×63+3×125(NH00)
100,0 2×ТSM-LC50 2×B44066-T0050-E402 440 3×663 4×MKK440-D-30-01 4×B 25667-B4497-A375 2×25 6×125(NH00)
125,0 ТSM-LC200 B44066-T00200-E402 440 3×829 5×MKK440-D-30-01 5×B 25667-B4497-A375 95 3×315(NH2)
150,0 ТSM-LC200 B44066-T00200-E402 440 3×995 6×MKK440-D-30-01 6×B 25667-B4497-A375 120 3×350(NH2)
175,0 ТSM-LC200 B44066-T00200-E402 440 3×1161 7×MKK440-D-30-01 7×B 25667-B4497-A375 150 3×450(NH2)
200,0 ТSM-LC200 B44066-T00200-E402 440 3×1327 8×MKK440-D-30-01 8×B 25667-B4497-A375 185 3×450(NH2)

Примечание: *соединение между выходом тиристорного контактора и КБ; **плавкие предохранители типа gR или gRL.

Таблица 4. Компенсируемая сеть: Uном. = 690 В, fном. = 50 Гц

Мощность ступени, квар Тип контактора Код заказа контактора Номинальное напряжение конденсатора (минимум), В Подобранная емкость, мкФ Тип конденсатора Код заказа конденсатора Сечение проводников (медь)*, мм2 Рекомендуемый номинал предохранителя, А**
17,5 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×117 3×MKK440-I-6,9-01 3×B 25667-B5117-A175 10 3×25(NH00)
20,0 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×134 3×MKK440-I-8,3-01 3×B 25667-B5147-A175 10 3×35(NH00)
25,0 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×167 3×MKK525-I-15-01 3×B 25667-B5177-A175 16 3×40(NH00)
30,0 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×201 3×MKK400-I-10,4-01 3×B 25667-B3207-A175 16 3×50(NH00)
40,0 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×268 3×2×MKK440-I-8,3-01 6×B 25667-B5147-A175 25 3×63(NH00)
50,0 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×334 3×2×MKK525-I-15-01 6×B 25667-B5147-A175 25 3×80(NH00)
60,0 ТSM-HV50 B44066-T0050-E690 400 3×401 3×2×MKK400-I-10,4-01 6×B 25667-B3207-A175 25 3×100(NH00)
75,0 ТSM-AT B44066-T0100-E690 400 3×502 3×2×MKK400-I-12,5-01 6×B 25667-B3247-A175 35 3×125(NH00)
100,0 ТSM-AT B44066-T0100-E690 400 3×669 3×(1×MKK400-I-12,5-01+ 2×MKK400-I-10,4-01) 3×B 25667-B3247-A175+ 6×B25667-B3207-A175 50 3×160(NH00)

Примечание: *соединение между выходом тиристорного контактора и КБ; **плавкие предохранители типа gR или gRL.

Об авторе

Автор статьи - С.А. Шишкин, кандидат технических наук, доцент кафедры "Электроснабжение и электрические машины" ФГОУ ВПО "МГАУ".