Principio di funzionamento e tecnologie chiave dei condensatori commutati a tiristori (TSC)

Condensatore commutato a tiristore (TSC)è un dispositivo di compensazione dinamica della potenza reattiva basato sulle caratteristiche di commutazione senza contatto dei tiristori. Il suo principio fondamentale è quello di inserire o estrarre rapidamente e senza intoppi i banchi di condensatori dalla rete elettrica utilizzando la precisa capacità di attivazione del passaggio per lo zero-dei tiristori, realizzando una compensazione dinamica per la potenza reattiva della rete. Rispetto ai tradizionali condensatori a commutazione meccanica, il TSC presenta vantaggi significativi come lunga durata operativa, commutazione senza contatto, forte resistenza alle sollecitazioni meccaniche e risposta dinamica rapida. Inoltre, controllando accuratamente l'istante di commutazione, può sopprimere efficacemente la corrente di spunto durante il processo di commutazione, garantendo il funzionamento stabile della rete elettrica e delle apparecchiature.

1. Classificazione della TSC

1.1 Classificazione per livello di tensione

In base al livello di tensione applicata, la TSC può essere suddivisa in compensazione di bassa-tensione e compensazione di alta-tensione, in linea con le specifiche generali per i dispositivi di compensazione della potenza reattiva nel settore energetico:

Compensazione di bassa-tensione: applicabile principalmente alle reti di distribuzione a bassa-tensione da 0,4 kV (400 V), che coprono i requisiti di compensazione della potenza reattiva per livelli di tensione di 1 kV e inferiori, utilizzati principalmente ai lati del carico-end come officine industriali ed edifici commerciali;

Compensazione dell'alta-tensione: il sistema di compensazione è direttamente collegato alla rete elettrica ad alta-tensione, mirando principalmente a livelli di tensione di 6 kV, 10 kV e 35 kV. È adatto per scenari di compensazione centralizzata della potenza reattiva come sottostazioni e stazioni generali di riduzione-nei parchi industriali, per risolvere la carenza di potenza reattiva nelle reti elettriche ad alta-tensione.

1.2 Classificazione per ambito di applicazione

In base all'ambito e agli oggetti della compensazione, la TSC può essere classificata in compensazione del carico e compensazione centralizzata, che hanno divisioni chiare e applicazioni complementari:

Compensazione del carico: Fornisce una compensazione dinamica mirata per carichi fluttuanti singoli o per un gruppo specifico (ad esempio, forni elettrici ad arco, convertitori di frequenza, saldatrici elettriche) per compensare gli impatti della potenza reattiva generati dai carichi in tempo reale, impedendo che le fluttuazioni della potenza reattiva influenzino la qualità della tensione di rete;

Compensazione centralizzata: Installato nei nodi di alimentazione della rete elettrica (ad esempio, ai lati delle sbarre delle sottostazioni), effettua una compensazione sistematica della potenza reattiva dell'intera area di alimentazione, risolvendo il problema della fluttuazione complessiva della potenza reattiva nella rete, migliorando il fattore di potenza della rete e riducendo le perdite di linea.

2. Stati operativi e progettazione del circuito principale del TSC

2.1 Stati operativi

TSC ha solo due stati operativi: stato commutato-in e commutato-out, con meccanismi di funzionamento chiari e controllabili per entrambi gli stati:

● Cambiato-in stato: Il tiristore bidirezionale (o gruppo di tiristori anti-parallelo) conduce e il banco di condensatori è collegato senza problemi alla linea di rete. TSC fornisce potenza reattiva capacitiva alla rete, compensando la potenza reattiva induttiva nella rete e migliorando il fattore di potenza;

● Stato cambiato-fuori: Il tiristore bidirezionale (o gruppo di tiristori anti-parallelo) viene bloccato, scollegando il banco di condensatori dalla rete. In questo momento, il banco di condensatori mantiene una tensione residua prossima alla tensione di picco della rete e il ramo TSC non fornisce più potenza reattiva alla rete. È necessario utilizzare uno speciale dispositivo di scarica per rilasciare la tensione residua per garantire la sicurezza dell'apparecchiatura.

2.2 Requisiti fondamentali per la progettazione del circuito principale

Il progetto del circuito principale del TSC deve soddisfare tre requisiti fondamentali: compensazione rapida a gradini, soppressione della corrente di spunto e controllo delle armoniche. La tecnologia chiave è ottenere una commutazione della corrente di spunto pari a zero-, evitando danni ai componenti principali come tiristori e condensatori causati dalla corrente di spunto durante la commutazione.

Nelle applicazioni industriali, la modalità di cablaggio comune di TSC è il cablaggio a tiristore anti-parallelo (equivalente a un tiristore bidirezionale), che consente la conduzione e il blocco bidirezionali nei circuiti CA, adattandosi alle caratteristiche operative dell'alimentazione CA a-frequenza di alimentazione. Al contrario, la modalità di cablaggio tiristore-diodo anti-parallelo può controllare la corrente solo in una direzione, non riuscendo a soddisfare i normali requisiti di commutazione negli scenari CA. Si tratta di una struttura non-mainstream, utilizzata solo in speciali scenari compositi di rettifica e commutazione e non consigliata come schema di cablaggio TSC convenzionale.

3. Modalità di cablaggio del nucleo e confronto delle prestazioni di TSC

Nei sistemi TSC convenzionali, la modalità di cablaggio a tiristore anti-parallelo è l'unico schema tradizionale, con le sue caratteristiche prestazionali e precauzioni come segue:

● Meccanismo di lavoro: Due tiristori anti-paralleli vengono attivati ​​alternativamente per collegare e scollegare il circuito di compensazione, adattandosi ai requisiti operativi del semi-ciclo positivo e negativo dell'alimentazione CA a-frequenza di alimentazione;

● Affidabilità: Ha un'elevata affidabilità complessiva. Tuttavia, va notato che se un tiristore viene danneggiato e cortocircuitato, ciò causerà una conduzione a semionda del ramo di compensazione, generando componenti CC e una corrente di spunto eccessiva, che brucerà il banco di condensatori e altri componenti. Pertanto, nelle applicazioni pratiche devono essere configurati dispositivi completi di rilevamento e protezione dei guasti;

● Capacità di resistenza alla tensione inversa: La tensione inversa di picco sopportata dalla valvola a tiristori è uguale alla tensione di rete di picco dopo il rilascio della tensione residua del condensatore, in conformità con i requisiti di selezione della tensione nominale dei componenti del tiristore.

La struttura non-mainstream tiristore-diodo anti{2}}parallelo presenta una buona economia e un funzionamento semplice, ma non può realizzare il controllo bidirezionale della corrente e la sua velocità di risposta non può soddisfare le richieste di compensazione dinamica. Inoltre, la tensione inversa di picco sopportata dalla valvola a tiristori può raggiungere il doppio della tensione di rete di picco, richiedendo una maggiore selezione dei componenti. È applicabile solo a scenari speciali con requisiti bassi e capacità ridotta e non è incluso nella categoria di progettazione TSC convenzionale.

4. Selezione e funzione dei reattori in serie

Nel circuito principale del TSC i reattori in serie sono componenti fondamentali indispensabili. Le loro funzioni principali sono limitare la corrente di spunto di commutazione, sopprimere le armoniche di ordine elevato-e limitare la corrente di corto-circuito, garantendo il funzionamento sicuro e stabile del sistema.

4.1 Meccanismo dei reattori in serie

Condizioni anomale come il falso innesco del tiristore e i guasti della rete possono causare una corrente di spunto istantanea quando il banco di condensatori è acceso. I reattori in serie possono limitare l'ampiezza della corrente di spunto attraverso l'impedenza induttiva. Nel frattempo, i reattori e i banchi di condensatori formano un circuito di filtro LC, che può sopprimere efficacemente le armoniche di ordine elevato nella rete (in particolare la 3a e la 5a armonica), evitando danni ai componenti causati dall'amplificazione armonica.

Nota: dopo aver collegato i reattori in serie, la tensione ai capi del condensatore aumenterà a causa della caduta di tensione fondamentale e degli effetti di amplificazione armonica. Pertanto, la tensione nominale del condensatore deve essere superiore alla tensione di rete. Ad esempio, i condensatori con una tensione nominale di 450 V vengono solitamente selezionati per reti da 0,4 kV, mentre i condensatori con una tensione nominale di 11/√3 kV per reti da 10 kV.

4.2 Tipologie e principi di scelta dei reattori

Nei sistemi TSC vengono utilizzati due tipi comuni di reattori: reattori con nucleo in aria- e reattori con nucleo in ferro-. Presentano evidenti differenze di prestazioni e la selezione dovrebbe essere determinata in modo completo in base al costo economico e ai requisiti tecnici:

● Reattori ad aria-nucleo: Hanno un eccellente effetto di limitazione della corrente, elevata linearità, non sono facili da saturare o generare calore in condizioni armoniche e hanno una forte stabilità operativa, ma con costi elevati. Sono adatti per sistemi TSC ad alta-tensione e grande-capacità e scenari con requisiti elevati di precisione e stabilità della compensazione;

● Reattori con nucleo in ferro-: Hanno un costo contenuto e soddisfano i requisiti di limitazione di corrente convenzionali, ma hanno una scarsa linearità. Sono soggetti a saturazione e riscaldamento in caso di effetti armonici e il loro effetto di limitazione della corrente è fortemente influenzato dalle condizioni di lavoro. Sono adatti per sistemi TSC a bassa-tensione, piccola-capacità e scenari con rigoroso controllo dei costi.

5. Modalità di cablaggio del circuito principale di TSC

In base alla modalità di connessione tra le valvole a tiristori e i banchi di condensatori, le modalità di cablaggio del circuito principale di TSC includono principalmente la connessione a triangolo controllata trifase e la connessione a stella, ciascuna con scenari applicabili. Non esiste una "connessione combinata stella delta-" tradizionale (questa connessione combinata è solo una derivazione teorica e non applicata nella pratica industriale):

● Connessione Delta: Utilizzato principalmente in sistemi TSC a bassa-tensione (ad es. 0,4 kV), adottando la modalità di compensazione comune trifase-. Ha un'elevata efficienza di compensazione e un cablaggio semplice, può compensare efficacemente la potenza reattiva sbilanciata trifase- ed è adatto per la compensazione della potenza reattiva ai carichi finali;

● Connessione a stella: Utilizzato principalmente in sistemi TSC ad alta-tensione (ad es. 6 kV, 10 kV, 35 kV), solitamente con punto neutro senza messa a terra. Può prevenire la diffusione di guasti monofase-, ha un'elevata sicurezza operativa ed è adatto per scenari di compensazione centralizzata di sottostazioni.

6. Controllo della corrente di spunto per la commutazione TSC

In base alla caratteristica principale dei condensatori secondo cui "la tensione non può cambiare bruscamente", una grande differenza tra la tensione di rete e la tensione residua del condensatore (incluse ampiezza e fase) durante la commutazione TSC genererà una corrente di spunto istantanea, mettendo a rischio la sicurezza dei componenti. Pertanto, il controllo della corrente di spunto è il fulcro del controllo di commutazione TSC.

● Standard di valutazione della corrente di spunto: Lo standard ingegneristico generale prevede che quando il rapporto tra la corrente di spunto e la normale corrente operativa-stazionaria del condensatore è inferiore a 1,2 - 1,5 volte, è considerato innocuo per tiristori, condensatori e altri componenti. Se il rapporto supera questo intervallo, è necessario ottimizzare la strategia di controllo della commutazione o aggiungere misure di limitazione della corrente;

● Implementazione della commutazione senza spunto-: lo stato di commutazione ideale è "l'attivazione del passaggio per lo zero-". Dopo l'interruzione della commutazione, il condensatore mantiene la tensione di rete di picco. Il tiristore viene attivato e condotto al punto di passaggio per lo zero-dove la tensione di rete e la tensione residua del condensatore sono uguali in ampiezza e fase, con corrente di spunto quasi-zero. Durante la disattivazione, il tiristore viene bloccato nel punto di passaggio per lo zero-corrente per evitare sovratensioni.

7. Sistema di rilevamento e controllo TSC

La funzione principale del sistema di rilevamento TSC è quella di raccogliere i parametri elettrici rilevanti della rete elettrica e del sistema di carico in tempo reale, fornendo una base accurata per il controllo della commutazione. È costituito principalmente da un modulo di campionamento di fase, un modulo di calcolo della tensione e della corrente RMS e un modulo di calcolo della domanda di potenza reattiva e della potenza reattiva.

Le tecnologie di controllo avanzate nelle attuali applicazioni industriali adottano la tecnologia di controllo di fase sincrona-basata su microcomputer e la tecnologia di attivazione adattiva dei tiristori. Il meccanismo di funzionamento è il seguente: il sistema di rilevamento cattura in tempo reale le informazioni sull'ampiezza e sulla fase della tensione ai capi del condensatore e della tensione di rete. Quando i due sono uguali in ampiezza e coerenti in fase, il tiristore viene attivato istantaneamente per ottenere una commutazione di spunto pari a zero del condensatore. Durante la disattivazione, il tiristore viene automaticamente bloccato al punto di passaggio per lo zero-della corrente, senza pre-caricare il condensatore.

Nota importante: i reattori in serie e i dispositivi di scarica speciali (bobine di scarica o resistori di scarica) sono componenti essenziali nei sistemi TSC e non possono essere omessi. I reattori in serie vengono utilizzati per la limitazione della corrente e la soppressione delle armoniche, mentre i dispositivi di scarica rilasciano la tensione residua del condensatore dopo la commutazione per evitare potenziali rischi per la sicurezza causati dalla tensione residua. Solo il TSC di piccola-capacità e bassa-tensione può semplificare il dispositivo di scarica in condizioni di lavoro specifiche, mentre il TSC di alta-tensione e-capacità di grandi dimensioni deve essere dotato di componenti completi di limitazione della corrente e di scarica.

8. Conclusione

Essendo un dispositivo di compensazione dinamica della potenza reattiva efficiente e veloce, TSC presenta i principali vantaggi di commutazione senza contatto, velocità di risposta rapida e funzionamento affidabile. Può risolvere efficacemente il problema della fluttuazione della potenza reattiva della rete, migliorare la qualità della tensione di rete e ridurre la perdita di linea. I suoi punti tecnici chiave includono il controllo dell'attivazione del passaggio per lo zero-, la soppressione della corrente di spunto, la selezione del reattore e l'adattamento della modalità di cablaggio. Nella progettazione e nell'applicazione pratica, è necessario rispettare rigorosamente gli standard del settore energetico, evitare malintesi nella selezione dei componenti e nelle strategie di controllo e garantire il funzionamento sicuro, stabile ed efficiente del sistema.

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