Thyristor. Тиристорные ключи в электротехнике: принципы работы, применение и преимущества

Что такое тиристорные ключи и как они работают. Где применяются управляемые тиристорами реакторы. Какие преимущества дает использование тиристорных ключей в электрических сетях. Чем отличаются TCR и TSR реакторы.

Принцип работы тиристорных ключей в электротехнике

Тиристорный ключ представляет собой полупроводниковое устройство, способное коммутировать электрические цепи без механических контактов. Основным элементом такого ключа является тиристор — полупроводниковый прибор с тремя p-n-переходами, который может находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом (высокое сопротивление) и открытом (низкое сопротивление).

Как работает тиристорный ключ? В закрытом состоянии через тиристор протекает очень малый ток. При подаче управляющего импульса на затвор тиристор переходит в открытое состояние и начинает проводить большой ток. Обратно в закрытое состояние тиристор переходит при снижении протекающего через него тока ниже определенного значения.

Основные типы тиристоров, используемых в ключах:

• Однооперационные тиристоры — могут только включаться по цепи управления
• Двухоперационные тиристоры (GTO) — могут как включаться, так и выключаться по цепи управления
• Симметричные тиристоры — способны проводить ток в обоих направлениях
• Запираемые тиристоры (IGCT) — обладают улучшенными характеристиками управления

Применение тиристорных ключей в электроэнергетике

Тиристорные ключи нашли широкое применение в различных областях электроэнергетики благодаря своим уникальным свойствам. Где используются эти устройства?

Основные сферы применения:

1. Системы компенсации реактивной мощности
2. Устройства плавного пуска электродвигателей
3. Преобразователи частоты
4. Регуляторы напряжения
5. Системы управления электроприводом

Особенно эффективно использование тиристорных ключей в составе управляемых реакторов. Что представляют собой такие устройства? Управляемый реактор — это индуктивный элемент, величина реактивной мощности которого может изменяться с помощью тиристорного ключа.

Преимущества использования тиристорных ключей в электрических сетях

Применение тиристорных ключей в электроэнергетике дает ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными механическими коммутационными аппаратами. Какие основные достоинства можно выделить?

• Высокое быстродействие (время коммутации порядка миллисекунд)
• Отсутствие подвижных частей и электрической дуги при коммутации
• Возможность частых коммутаций без снижения ресурса
• Бесшумность работы
• Возможность плавного регулирования мощности нагрузки

Эти преимущества позволяют создавать более эффективные и надежные системы управления в электроэнергетике. Например, быстродействие тиристорных ключей дает возможность точно регулировать реактивную мощность в сетях, повышая качество электроэнергии.

Отличия между TCR и TSR реакторами

В электроэнергетике широко применяются два типа управляемых реакторов с тиристорными ключами — TCR (Thyristor Controlled Reactor) и TSR (Thyristor Switched Reactor). В чем заключаются основные различия между ними?

TCR (тиристорно-управляемый реактор):

• Плавное регулирование реактивной мощности
• Тиристорные ключи интегрированы в конструкцию реактора
• Возможность быстрого изменения величины индуктивности

TSR (тиристорно-коммутируемый реактор):

• Ступенчатое регулирование реактивной мощности
• Тиристорные ключи выполнены в виде отдельного устройства
• Более простая конструкция по сравнению с TCR

Выбор между TCR и TSR зависит от конкретных требований к системе компенсации реактивной мощности. TCR обеспечивает более точное регулирование, но имеет более сложную и дорогостоящую конструкцию.

Особенности применения тиристорных ключей в низковольтных сетях

Хотя изначально тиристорные ключи получили распространение в сетях высокого и среднего напряжения, сегодня они все чаще применяются и в низковольтных системах. Какие особенности имеет использование этих устройств в сетях до 1000 В?

• Применение реакторов с воздушным сердечником для обеспечения линейности характеристик
• Использование полностью управляемых тиристоров (IGCT) для улучшения характеристик регулирования
• Интеграция тиристорных ключей в интеллектуальные контроллеры компенсации реактивной мощности
• Применение гибридных контактно-бесконтактных ключей для повышения надежности

Эти особенности позволяют создавать эффективные системы управления реактивной мощностью даже в распределительных сетях низкого напряжения, повышая качество электроэнергии для конечных потребителей.

Схемы подключения тиристорных ключей в трехфазных сетях

В трехфазных электрических сетях возможны различные варианты подключения тиристорных ключей и управляемых ими реакторов. Какие схемы наиболее распространены?

Основные схемы подключения:

1. Схема «звезда» с нулевым проводом
2. Схема «звезда» без нулевого провода
3. Схема «треугольник»
4. Комбинированная схема (реакторы — «треугольник», ключи — «звезда»)

Выбор конкретной схемы зависит от параметров сети, требований к регулированию и особенностей нагрузки. Например, схема «треугольник» позволяет уменьшить гармонические искажения, но требует большего количества тиристоров.

Перспективы развития технологии тиристорных ключей

Технология тиристорных ключей продолжает активно развиваться. Какие направления совершенствования этих устройств можно выделить?

• Разработка новых типов силовых полупроводниковых приборов с улучшенными характеристиками
• Создание «интеллектуальных» тиристорных модулей со встроенными функциями диагностики и защиты
• Интеграция тиристорных ключей в системы «умных сетей» (Smart Grid)
• Применение цифровых технологий управления для повышения точности регулирования

Эти тенденции позволяют прогнозировать дальнейшее расширение сферы применения тиристорных ключей в электроэнергетике, особенно в связи с развитием концепции цифровой энергетики.

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).

Рис. Однофазные тиристорные свитчи – (слева направо) монополярные полууправляемые, биполярные симметричные полностью управляемые, биполярные несимметричные с одним полууправляемым тиристором в ячейке.

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).

Рис. Реакторы, коммутируемые тиристорными ключами – слева схема одной фазы регулируемой ячейки, справа вольтамперная характеристика в диапазоне α > π/2, где пунктирная линия показывает ток полностью открытого тиристорного ключа (вариант естественной коммутации с ключом типа включатель/выключатель, выключаемым при смене полярности напряжения на электродах), сплошная линия – ток на реакторе при регулируемой искусственной коммутации с помощью IGCT тиристоров.

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).

Рис. Вольтамперная характеристика ненасыщаемых низковольтных реакторов с ворздушным сердечником (сплошная 1) и со стальным сердечником (режим насыщения пунктирная линия 2)

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).

Рис. Тиристорные ключи для коммутации реакторов в трехфазных сетях.

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.

Рис. Принципиальная схема гибридного контактно-бесконтактного тиристорного ключа.

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).

Современные альтернативы тиристорным электронным устройствам управления нагревателями

РЕСУРСЫ

---

Замена управляемых кремнием выпрямителей (SCR)/тиристоров импульсными источниками питания (SMPS)

Импульсные источники питания обеспечивают два основных преимущества по сравнению с SCR/тиристорными источниками питания: меньшие и легкие сборки для сравнительной выходной мощности и лучшие входные гармоники и качество. В этой статье мы утверждаем, что замена SCR/тиристоров импульсным источником питания может оптимизировать ваше оборудование и технологический процесс, обеспечивая при этом повышенную частоту переключения для большей удельной мощности.

Скачать примечание к приложению

SMPS VS. SCR: Изолирующие трансформаторы

В гальванически изолированных источниках питания SCR большая часть веса и размера источника предназначена для большого трансформатора с многослойным железным сердечником. Этот трансформатор используется для преобразования входного переменного напряжения 50–60 Гц из сети в соответствующее вторичное переменное напряжение, которое затем можно выпрямить для получения выходного постоянного напряжения. Эти большие трансформаторы не требуются в импульсных источниках питания, что позволяет экономить место и вес. В высокочастотных импульсных источниках эта изоляция достигается за счет гораздо меньших по размеру трансформаторов с ферритовым сердечником, используемых в сочетании со схемой, известной как полномостовой преобразователь.

Полномостовой преобразователь переключает полярность напряжения на трансформаторе с ферритовым сердечником намного быстрее, чем 50-60 Гц, доступные от сетевого напряжения. Быстрое переключение является ключом к уменьшению размера изолирующих трансформаторов. Трансформатор с частотой 60 Гц, способный отдавать 3 кВт, имеет объем >500 кубических дюймов, что дает удельную мощность трансформатора 6 Вт/дюйм ³ . Принимая во внимание, что трансформатор, используемый в 3,8 кВт Mercury Flex SMPS от ATDI, работающий на частоте почти 150 кГц, имеет объем 8 кубических дюймов. В результате удельная мощность трансформатора составляет 475 Вт/дюйм ³ . Это уменьшение размера трансформатора напрямую приводит к уменьшению размера и веса системы.

СМПС ВС. SCR: Harmonics Current

В неизолированных источниках питания SCR с фазовой регулировкой выходной ток регулируется путем изменения части синусоидального сигнала частотой 60 Гц, подаваемого на нагрузку. На рисунке ниже показан подаваемый ток для различных углов проводимости тиристора. Для более высокого среднего выходного тока SCR срабатывает раньше в цикле; в то время как при более низком среднем выходном токе SCR срабатывает позже в цикле.

Рисунок 1. Ток, подаваемый на резистор R1, сравнение различных углов проводимости тиристоров

Следствием этого является то, что электрический ток проходит только тогда, когда тиристоры пропускают ток на выход, что приводит к плохим гармоникам на входе, поскольку форма волны тока не является непрерывной синусоидой.

Например, в случае, когда тиристор проводит во время пика синусоиды как для положительного, так и для отрицательного полупериода; ток быстро переходит от нуля ампер к максимуму.

Рис. 2. Выходной ток с углом проводимости тиристора на пике полупериода

Результирующую форму сигнала, показанную выше на Рис. 2, можно дополнительно изучить с помощью анализа Фурье. Этот математический процесс разбивает любую форму волны на бесконечную сумму синусоид с различными величинами и частотами. Что мы обнаруживаем в этом процессе, так это то, что в приведенном выше примере большая составляющая тока приходится на третью гармонику 180 Гц. На рис. 3 ниже показаны величины токов гармоник для четных и нечетных гармоник частоты 60 Гц. Эти уровни значительно превышают предел IEC61000-3.

Рисунок 3. Содержание гармоник в токе сигнала, показанного на рисунке 2

В дополнение к тому, что эти отдельные уровни гармоник превышают допустимые пределы, суммарное или полное гармоническое искажение (THD) составляет 63%. Предел IEC61000-3 для THD составляет 15%.

3,8 кВт Mercury Flex SMPS от ATDI использует активный корректор коэффициента мощности или PFC. Эта схема отслеживает входное напряжение и ток и гарантирует, что они находятся в фазе друг с другом и имеют непрерывную синусоидальную форму. Mercury Flex имеет THD 9.0,57% при выходной мощности 3,8 кВт, что находится в пределах 15% для IEC61000-3.

 

Высокочастотные импульсные источники питания: MERCURY

FLEX

Решение Astrodyne TDI с воздушным охлаждением являются полностью зрелая технология, обеспечивающая лучшее решение для приложений, требующих уникального программирования выходного напряжения и тока.