Principi de funcionament i tecnologies clau del condensador commutat de tiristors (TSC)

Condensador commutat de tiristors (TSC)és un dispositiu de compensació de potència reactiva dinàmica basat en les característiques de commutació sense contacte dels tiristors. El seu principi bàsic és canviar ràpidament i sense problemes els bancs de condensadors dins o fora de la xarxa elèctrica mitjançant la utilització precisa de la capacitat d'activació de creuament zero-de tiristors, realitzant una compensació dinàmica de la potència reactiva de la xarxa. En comparació amb els condensadors de commutació mecànica tradicionals, TSC té avantatges importants com ara una llarga vida útil, commutació sense contacte, una forta resistència a l'estrès mecànic i una resposta dinàmica ràpida. A més, controlant amb precisió l'instant de commutació, pot suprimir eficaçment el corrent d'entrada durant el procés de commutació, assegurant el funcionament estable de la xarxa elèctrica i l'equip.

1. Classificació de TSC

1.1 Classificació per Nivell de Tensió

Segons el nivell de tensió aplicat, el TSC es pot dividir en compensació de baixa -tensió i compensació d'alta-tensió, d'acord amb les especificacions generals per als dispositius de compensació de potència reactiva a la indústria energètica:

Compensació de baixa-tensió: s'aplica principalment a xarxes de distribució de baixa tensió de 0,4 kV (400 V), que cobreixen els requisits de compensació de potència reactiva per a nivells de tensió d'1 kV i inferiors, que s'utilitzen principalment als costats de la càrrega-final, com ara tallers industrials i edificis comercials;

Compensació{0}}d'alta tensió: el sistema de compensació està connectat directament a la xarxa elèctrica d'alta -tensió, orientada principalment a nivells de tensió de 6 kV, 10 kV i 35 kV. És adequat per a escenaris de compensació de potència reactiva centralitzada, com ara subestacions i estacions de reducció general-en parcs industrials, per resoldre l'escassetat de potència reactiva a les xarxes elèctriques d'alta-tensió.

1.2 Classificació per àmbit d'aplicació

Segons l'abast i els objectes de la compensació, el TSC es pot classificar en compensació de càrrega i compensació centralitzada, que tenen divisions clares i aplicacions complementàries:

Compensació de càrrega: Proporciona una compensació dinàmica específica per a càrregues fluctuants individuals o d'un grup de càrregues específiques (per exemple, forns d'arc elèctric, convertidors de freqüència, màquines de soldadura elèctriques) per compensar els impactes de la potència reactiva generats per les càrregues en temps real, evitant que les fluctuacions de la potència reactiva afectin la qualitat de la tensió de la xarxa;

Compensació centralitzada: Instal·lat als concentradors d'alimentació de la xarxa elèctrica (per exemple, costats de la barra de la subestació), realitza una compensació sistemàtica de la potència reactiva de tota l'àrea d'alimentació, solucionant el problema de la fluctuació general de la potència reactiva a la xarxa, millorant el factor de potència de la xarxa i reduint la pèrdua de línia.

2. Estats de funcionament i disseny del circuit principal de TSC

2.1 Estats operatius

TSC només té dos estats de funcionament: estat-conmutat i estat-extingut, amb mecanismes de treball clars i controlables per a tots dos estats:

● Canviat-d'estat: el tiristor bidireccional (o grup de tiristors anti-paral·lel) condueix i el banc de condensadors està connectat sense problemes a la línia de xarxa. TSC emet potència reactiva capacitiva a la xarxa, compensant la potència reactiva inductiva a la xarxa i millorant el factor de potència;

● Estat-canviat: el tiristor bidireccional (o grup de tiristors anti-paral·lel) està bloquejat, i es desconnecta el banc de condensadors de la xarxa. En aquest moment, el banc de condensadors manté la tensió residual propera a la tensió màxima de la xarxa i la branca TSC ja no emet potència reactiva a la xarxa. S'ha d'utilitzar un dispositiu de descàrrega especial per alliberar la tensió residual per garantir la seguretat de l'equip.

2.2 Requisits bàsics per al disseny del circuit principal

El disseny del circuit principal TSC ha de complir tres requisits bàsics: compensació ràpida escalonada, supressió de corrent d'entrada i control harmònic. La tecnologia clau és aconseguir una commutació de corrent d'entrada zero-, evitant danys als components bàsics, com ara tiristors i condensadors, causats pel corrent d'entrada durant la commutació.

A les aplicacions industrials, el mode de cablejat comú de TSC és el cablejat anti-tiristor paral·lel (equivalent a un tiristor bidireccional), que permet la conducció i el bloqueig bidireccionals en circuits de CA, adaptant-se a les característiques de funcionament de la potència de corrent alterna de-potència. En canvi, el mode de cablejat en paral·lel del tiristor-díode anti-només pot controlar el corrent en una direcció, sense complir els requisits de commutació normals en escenaris de CA. Es tracta d'una estructura no-normal, només s'utilitza en escenaris composts especials de rectificació i commutació, i no es recomana com a esquema de cablejat TSC convencional.

3. Modes de cablejat bàsic i comparació de rendiment del TSC

En els sistemes TSC convencionals, el mode de cablejat de tiristors anti-paral·lel és l'únic esquema general, amb les seves característiques de rendiment i precaucions de la següent manera:

● Mecanisme de treball: s'activen alternativament dos tiristors anti-paral·lels per connectar i desconnectar el circuit de compensació, adaptant-se als requisits de funcionament de mig cicle positiu i negatiu-de la potència-freqüència AC;

● Fiabilitat: Té una alta fiabilitat global. Tanmateix, cal tenir en compte que si un tiristor es fa malbé i es fa un curt-circuit, provocarà una conducció de mitja-ona de la branca de compensació, generant components de corrent continu i un corrent d'entrada excessiu, que cremarà el banc de condensadors i altres components. Per tant, s'han de configurar dispositius complets de detecció i protecció d'avaries en aplicacions pràctiques;

● Capacitat de suport de voltatge invers: La tensió inversa màxima suportada per la vàlvula del tiristor és igual a la tensió màxima de la xarxa després que s'alliberi la tensió residual del condensador, complint amb els requisits de selecció de tensió nominal dels components del tiristor.

L'estructura anti-díode no{0}}tiristor convencional-anti-paral·lel presenta una bona economia i un funcionament senzill, però no pot realitzar un control de corrent bidireccional i la seva velocitat de resposta no pot satisfer les demandes de compensació dinàmica. A més, la tensió inversa màxima suportada per la vàlvula del tiristor pot arribar al doble de la tensió màxima de la xarxa, la qual cosa requereix una selecció de components més alta. Només és aplicable a escenaris especials amb requisits baixos i capacitat reduïda, i no s'inclou en la categoria de disseny TSC convencional.

4. Selecció i Funció dels Reactors Sèries

Al circuit principal TSC, els reactors en sèrie són components bàsics indispensables. Les seves funcions bàsiques són limitar el corrent d'entrada de commutació, suprimir els harmònics d'alt -ordre i limitar el corrent de curt-circuit, garantint el funcionament segur i estable del sistema.

4.1 Mecanisme dels reactors sèrie

Les condicions anormals, com ara l'activació falsa del tiristor i les fallades de la xarxa, poden provocar un corrent d'entrada instantània quan el banc de condensadors està encès. Els reactors en sèrie poden limitar l'amplitud del corrent d'entrada mitjançant la impedància inductiva. Mentrestant, els reactors i els bancs de condensadors formen un circuit de filtre LC, que pot suprimir eficaçment els harmònics d'alt -ordre a la xarxa (especialment els harmònics 3r i 5), evitant danys als components causats per l'amplificació harmònica.

Nota: Després de connectar reactors en sèrie, la tensió a través del condensador augmentarà a causa de la caiguda de tensió fonamental i els efectes d'amplificació harmònica. Per tant, la tensió nominal del condensador ha de ser superior a la tensió de la xarxa. Per exemple, se solen seleccionar condensadors amb una tensió nominal de 450 V per a xarxes de 0,4 kV i condensadors amb una tensió nominal d'11/√3 kV per a xarxes de 10 kV.

4.2 Tipus i principis de selecció de reactors

En els sistemes TSC s'utilitzen dos tipus habituals de reactors: reactors de nucli d'aire-i reactors de nucli-de ferro. Tenen diferències de rendiment òbvies i la selecció s'ha de determinar de manera exhaustiva en funció del cost econòmic i dels requisits tècnics:

● Reactors-de nucli d'aire: Tenen un efecte limitador de corrent excel·lent, una alta linealitat, no són fàcils de saturar o generar calor en condicions harmòniques i tenen una forta estabilitat operativa, però amb un cost elevat. Són adequats per a sistemes TSC d'alta-tensió i gran-capacitat i escenaris amb requisits elevats de precisió i estabilitat de la compensació;

● Reactors de-nucli de ferro: tenen un cost baix i compleixen els requisits de limitació de corrent convencionals, però de poca linealitat. Són propensos a la saturació i l'escalfament sota efectes harmònics, i el seu efecte limitador de corrent es veu molt afectat per les condicions de treball. Són adequats per a sistemes TSC de baixa-tensió i-capacitat petita i escenaris amb un estricte control de costos.

5. Modes de cablejat del circuit principal de TSC

Segons el mode de connexió entre les vàlvules de tiristors i els bancs de condensadors, els modes de cablejat del circuit principal de TSC inclouen principalment la connexió trifàsica controlada en trifàsic i la connexió en estrella, cadascuna amb escenaris aplicables. No hi ha cap "connexió combinada en estrella-delta-estrella" convencional (aquesta connexió combinada només és una derivació teòrica i no s'aplica a la pràctica industrial):

● Connexió Delta: S'utilitza principalment en sistemes TSC de baixa tensió- (p. ex., 0,4 kV), adoptant el mode de compensació comú trifàsic. Té una alta eficiència de compensació i un cablejat senzill, pot compensar eficaçment la potència reactiva desequilibrada-trifàsica i és adequat per a la compensació de la potència reactiva a les càrregues finals;

● Connexió estrella: S'utilitza principalment en sistemes TSC{0}}d'alta tensió (p. ex., 6 kV, 10 kV, 35 kV), normalment amb un punt neutre sense connexió a terra. Pot prevenir la propagació de fallades monofàsiques-, té una alta seguretat operativa i és adequat per a escenaris de compensació centralitzada de subestació.

6. Control de corrent d'entrada per a la commutació TSC

A partir de la característica bàsica dels condensadors que "la tensió no pot canviar bruscament", una gran diferència entre la tensió de la xarxa i la tensió residual del condensador (inclosa l'amplitud i la fase) durant la commutació TSC generarà un corrent d'entrada instantània, amenaçant la seguretat dels components. Així, el control del corrent d'entrada és el nucli del control de commutació TSC.

● Estàndard de judici de corrent d'entrada: l'estàndard d'enginyeria general és que, quan la relació entre el corrent d'entrada i el corrent de funcionament normal-de l'estat estacionari del condensador és inferior a 1,2 a 1,5 vegades, es considera inofensiu per als tiristors, condensadors i altres components. Si la relació supera aquest rang, cal optimitzar l'estratègia de control de commutació o afegir mesures limitadores de corrent;

● Implementació de commutació -zero: l'estat de commutació ideal és "-activació de creuament zero". Després d'aturar la commutació, el condensador reté la tensió màxima de la xarxa. El tiristor s'activa i es condueix al punt d'encreuament zero-on la tensió de la xarxa i la tensió residual del condensador són iguals en amplitud i fase, amb un corrent d'entrada gairebé -zero. Durant la commutació, el tiristor es bloqueja al punt d'encreuament zero-actual per evitar sobretensions.

7. Sistema de detecció i control TSC

La funció principal del sistema de detecció TSC és recollir els paràmetres elèctrics rellevants de la xarxa elèctrica i del sistema de càrrega en temps real, proporcionant una base precisa per al control de commutació. Consisteix principalment en un mòdul de mostreig de fase, un mòdul de càlcul RMS de tensió i corrent i un mòdul de càlcul de demanda de potència reactiva i potència reactiva.

Les tecnologies de control avançades de les aplicacions industrials actuals adopten la tecnologia de control de fase síncrona-basada en microordinadors i la tecnologia d'activació de tiristors adaptatius. El mecanisme de treball és: el sistema de detecció captura la informació d'amplitud i fase de la tensió a través del condensador i la tensió de la xarxa en temps real. Quan els dos són iguals en amplitud i consistents en fase, el tiristor s'activa a l'instant per aconseguir una commutació zero-del condensador. Durant la commutació, el tiristor es bloqueja automàticament al punt d'encreuament zero-actual, sense carregar prèviament el condensador.

Nota important: els reactors en sèrie i els dispositius de descàrrega especials (bobines de descàrrega o resistències de descàrrega) són components essencials dels sistemes TSC i no es poden ometre. Els reactors de sèrie s'utilitzen per a la limitació de corrent i la supressió d'harmònics, i els dispositius de descàrrega alliberen la tensió residual del condensador després de la commutació per evitar possibles perills de seguretat causats per la tensió residual. Només el TSC de baixa-capacitat i baixa-tensió pot simplificar el dispositiu de descàrrega en condicions de treball específiques, mentre que el TSC d'alta-tensió i gran-capacitat ha d'estar equipat amb components de descàrrega i limitació de corrent complets.

8. Conclusió

Com a dispositiu de compensació de potència reactiva dinàmica eficient i ràpida, TSC té avantatges bàsics de commutació sense contacte, velocitat de resposta ràpida i funcionament fiable. Pot resoldre eficaçment el problema de la fluctuació de la potència reactiva de la xarxa, millorar la qualitat de la tensió de la xarxa i reduir la pèrdua de línia. Els seus punts tècnics clau inclouen el control d'activació-de pas per zero, la supressió del corrent d'entrada, la selecció del reactor i l'adaptació del mode de cablejat. En el disseny i l'aplicació pràctics, cal complir estrictament els estàndards de la indústria energètica, evitar malentesos en les estratègies de selecció i control de components i garantir el funcionament segur, estable i eficient del sistema.

Contacta ara