اصل کار و فناوری های کلیدی خازن سوئیچ شده تریستور (TSC)

خازن سوئیچ تریستور (TSC)یک دستگاه جبران توان راکتیو پویا بر اساس ویژگی های سوئیچینگ بدون تماس تریستورها است. اصل اصلی آن این است که بانک های خازن را به سرعت و به آرامی به داخل یا خارج از شبکه برق با استفاده از قابلیت ضربدر صفر{1}}تریستورها، درک جبران پویا برای توان راکتیو شبکه، تغییر دهد. در مقایسه با خازن های سنتی سوئیچ مکانیکی، TSC دارای مزایای قابل توجهی مانند عمر کاری طولانی، سوئیچینگ بدون تماس، مقاومت قوی در برابر استرس مکانیکی و پاسخ دینامیکی سریع است. علاوه بر این، با کنترل دقیق لحظه سوئیچینگ، می تواند به طور موثر جریان هجومی را در طول فرآیند سوئیچینگ سرکوب کند و از عملکرد پایدار شبکه برق و تجهیزات اطمینان حاصل کند.

1. طبقه بندی TSC

1.1 طبقه بندی بر اساس سطح ولتاژ

با توجه به سطح ولتاژ اعمال شده، TSC را می توان به- جبران ولتاژ پایین و- جبران ولتاژ بالا، مطابق با مشخصات کلی دستگاه های جبران توان راکتیو در صنعت برق تقسیم کرد:

جبران ولتاژ پایین-: عمدتاً برای شبکه های توزیع ولتاژ پایین 0.4 کیلو ولت (400 ولت)-، که الزامات جبران توان راکتیو برای سطوح ولتاژ 1 کیلو ولت و کمتر را پوشش می دهد، که بیشتر در سمت های بار انتهایی- مانند کارگاه های صنعتی و ساختمان های تجاری استفاده می شود.

جبران ولتاژ بالا-: سیستم جبران به طور مستقیم به شبکه برق{0}قوی متصل است و عمدتاً سطوح ولتاژ 6 کیلوولت، 10 کیلوولت و 35 کیلوولت را هدف قرار می دهد. برای سناریوهای جبران توان راکتیو متمرکز مانند پست‌ها و ایستگاه‌های پایین{5} عمومی در پارک‌های صنعتی، برای رفع کمبود توان راکتیو در شبکه‌های برق فشار قوی{6} مناسب است.

1.2 طبقه بندی بر اساس دامنه کاربرد

بر اساس دامنه جبران و اشیاء، TSC را می توان به جبران بار و جبران متمرکز طبقه بندی کرد که دارای تقسیمات واضح و کاربردهای مکمل هستند:

جبران بار: جبران دینامیکی هدفمند را برای تک یا گروهی از بارهای نوسانی خاص (به عنوان مثال، کوره های قوس الکتریکی، مبدل های فرکانس، ماشین های جوشکاری الکتریکی) فراهم می کند تا اثرات توان راکتیو تولید شده توسط بارها را در زمان واقعی خنثی کند، و از تأثیر نوسانات توان راکتیو بر کیفیت ولتاژ شبکه جلوگیری می کند.

غرامت متمرکز: نصب شده در هاب های منبع تغذیه شبکه برق (به عنوان مثال، طرف شین پست)، جبران سیستماتیک توان راکتیو کل منطقه منبع تغذیه را انجام می دهد، مشکل نوسانات توان راکتیو کلی در شبکه را حل می کند، ضریب توان شبکه را بهبود می بخشد و تلفات خط را کاهش می دهد.

2. ایالات عامل و طراحی مدار اصلی TSC

2.1 ایالات عامل

TSC فقط دو حالت عملیاتی دارد: -در حالت و حالت خاموش-، با مکانیسم‌های کاری واضح و قابل کنترل برای هر دو حالت:

● در حالت سوئیچ-: تریستور دو طرفه (یا گروه تریستور ضد-موازی) هدایت می‌کند و بانک خازن به آرامی به خط شبکه متصل می‌شود. TSC توان راکتیو خازنی را به شبکه خروجی می دهد، توان راکتیو القایی را جبران می کند و ضریب توان را بهبود می بخشد.

● حالت{0}}خاموش شده: تریستور دو طرفه (یا گروه تریستور ضد-موازی) مسدود شده است و بانک خازن را از شبکه جدا می کند. در این زمان، بانک خازن ولتاژ باقیمانده را نزدیک به پیک ولتاژ شبکه حفظ می کند و شاخه TSC دیگر توان راکتیو را به شبکه خروجی نمی دهد. برای اطمینان از ایمنی تجهیزات باید از یک دستگاه تخلیه ویژه برای آزاد کردن ولتاژ باقیمانده استفاده شود.

2.2 الزامات اصلی برای طراحی مدار اصلی

طراحی مدار اصلی TSC باید سه الزام اصلی را برآورده کند: جبران سریع پلکانی، سرکوب جریان هجومی و کنترل هارمونیک. فن آوری کلیدی دستیابی به سوئیچینگ جریان هجومی صفر{1}، جلوگیری از آسیب به اجزای هسته مانند تریستورها و خازن ها ناشی از جریان هجومی در حین سوئیچینگ است.

در کاربردهای صنعتی، حالت سیم‌کشی رایج TSC، سیم‌کشی ضد{0}تریستور موازی (معادل تریستور دو طرفه) است، که رسانایی و انسداد دو جهته را در مدارهای متناوب ممکن می‌سازد، و با ویژگی‌های عملکردی توان متناوب فرکانس{1} توان سازگار می‌شود. در مقابل، حالت سیم کشی موازی-ضد دیود{4}}تریستور فقط می‌تواند جریان را در یک جهت کنترل کند، و در سناریوهای AC، نیازهای کلیدزنی عادی را برآورده نمی‌کند. این یک ساختار غیر{6}}جریان اصلی است، فقط در سناریوهای ترکیبی اصلاح و سوئیچینگ ویژه استفاده می‌شود و به عنوان یک طرح سیم‌کشی TSC معمولی توصیه نمی‌شود.

3. حالت های سیم کشی هسته و مقایسه عملکرد TSC

در سیستم‌های TSC معمولی، حالت سیم‌کشی ضد{0}تریستور موازی تنها طرح اصلی است که ویژگی‌های عملکرد و اقدامات احتیاطی آن به شرح زیر است:

● مکانیسم کار: دو ضد{0}}تریستور موازی به طور متناوب برای اتصال و قطع مدار جبران فعال می‌شوند و با نیمی از مثبت و منفی نیمی-نیازهای عملیاتی چرخه برق-فرکانس AC تطبیق داده می‌شوند.

● قابلیت اطمینان: قابلیت اطمینان کلی بالایی دارد. با این حال، باید توجه داشت که اگر یک تریستور آسیب ببیند و اتصال کوتاه- داشته باشد، باعث نیمه-رسانایی موج شاخه جبران، تولید اجزای DC و جریان هجومی بیش از حد می‌شود که بانک خازن و سایر اجزا را می‌سوزاند. بنابراین، دستگاه های تشخیص و حفاظت کامل عیب باید در کاربردهای عملی پیکربندی شوند.

● قابلیت تحمل ولتاژ معکوس: پیک ولتاژ معکوس تحمل شده توسط شیر تریستور برابر با پیک ولتاژ شبکه پس از آزاد شدن ولتاژ باقیمانده خازن است که با الزامات انتخاب ولتاژ نامی اجزای تریستور مطابقت دارد.

ساختار موازی غیر{0}}تریستور اصلی-دیود ضد-به صرفه و عملکرد ساده است، اما نمی‌تواند کنترل جریان دو طرفه را درک کند و سرعت پاسخ آن نمی‌تواند نیازهای جبران پویا را برآورده کند. علاوه بر این، اوج ولتاژ معکوس تحمل شده توسط شیر تریستور می تواند به دو برابر ولتاژ شبکه پیک برسد که به انتخاب اجزای بالاتر نیاز دارد. این فقط برای سناریوهای خاص با نیازهای کم و ظرفیت کم قابل اجرا است و در رده طراحی TSC معمولی گنجانده نشده است.

4. انتخاب و عملکرد راکتورهای سری

در مدار اصلی TSC، راکتورهای سری اجزای اصلی ضروری هستند. عملکرد اصلی آنها محدود کردن جریان هجومی سوئیچینگ، سرکوب هارمونیک‌های مرتب{1} بالا، و محدود کردن جریان مدار کوتاه{2}}، تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم است.

4.1 مکانیسم راکتورهای سری

شرایط غیرعادی مانند راه اندازی کاذب تریستور و خطاهای شبکه ممکن است باعث ایجاد جریان هجومی آنی در هنگام روشن شدن بانک خازن شوند. راکتورهای سری می توانند دامنه جریان هجومی را از طریق امپدانس القایی محدود کنند. در همین حال، راکتورها و بانک‌های خازن یک مدار فیلتر LC را تشکیل می‌دهند، که می‌تواند به طور موثری هارمونیک‌های مرتبه بالا را در شبکه (به‌ویژه هارمونیک‌های سوم و پنجم) سرکوب کند و از آسیب اجزای ناشی از تقویت هارمونیک جلوگیری کند.

توجه: پس از اتصال راکتورهای سری، ولتاژ دو سر خازن به دلیل افت ولتاژ اساسی و اثرات تقویت هارمونیک افزایش می یابد. بنابراین، ولتاژ نامی خازن باید بیشتر از ولتاژ شبکه باشد. به عنوان مثال، خازن های با ولتاژ نامی 450 ولت معمولا برای شبکه های 0.4 کیلو ولت و خازن هایی با ولتاژ نامی 11/√3 کیلو ولت برای شبکه های 10 کیلو ولت انتخاب می شوند.

4.2 انواع و اصول انتخاب راکتورها

دو نوع راکتور متداول در سیستم‌های TSC استفاده می‌شود: راکتورهای هسته‌ای{{0}هوا و راکتورهای هسته‌ای آهنی. آنها تفاوت های عملکردی آشکاری دارند و انتخاب باید به طور جامع بر اساس هزینه اقتصادی و الزامات فنی تعیین شود:

● راکتورهای هسته{0} هوا: دارای اثر محدود کننده جریان عالی، خطی بودن بالا، اشباع یا تولید گرما در شرایط هارمونیک آسان نیستند و پایداری عملیاتی قوی، اما با هزینه بالا دارند. آنها برای سیستم‌ها و سناریوها و سناریوهای TSC با ولتاژ بالا-با ولتاژ بالا-با الزامات بالا برای دقت و پایداری جبران مناسب هستند.

● راکتورهای{0}}هسته آهنی: هزینه پایینی دارند و الزامات محدود کننده جریان معمولی را برآورده می کنند، اما خطی بودن ضعیفی دارند. آنها مستعد اشباع و گرم شدن تحت تأثیرات هارمونیک هستند و اثر محدود کننده فعلی آنها به شدت تحت تأثیر شرایط کار قرار می گیرد. آنها برای سیستم‌های-ولتاژ پایین،-TSC با ظرفیت کم و سناریوهایی با کنترل دقیق هزینه مناسب هستند.

5. حالت های سیم کشی مدار اصلی TSC

با توجه به حالت اتصال بین دریچه‌های تریستور و بانک‌های خازن، حالت‌های سیم‌کشی مدار اصلی TSC عمدتاً شامل سه-اتصال مثلث کنترل‌شده فاز و اتصال ستاره است که هر کدام سناریوهای قابل اجرا دارند. هیچ جریان اصلی "اتصال ترکیبی دلتا- ستاره" وجود ندارد (این اتصال ترکیبی فقط مشتق نظری است و در عمل صنعتی کاربرد ندارد):

● اتصال دلتا: عمدتاً در{0}سیستم‌های TSC ولتاژ پایین (مثلاً 0.4 کیلو ولت) استفاده می‌شود، که حالت جبران مشترک سه فازی- را اتخاذ می‌کند. دارای راندمان جبرانی بالا و سیم کشی ساده است، می تواند به طور موثر توان راکتیو نامتعادل سه فاز را جبران کند و برای جبران توان راکتیو در بارهای پایانی مناسب است.

● اتصال ستاره: عمدتاً در سیستم‌های{0} TSC ولتاژ بالا (مثلاً 6 کیلو ولت، 10 کیلوولت، 35 کیلوولت)، معمولاً با نقطه خنثی زمین نشده استفاده می‌شود. می تواند از گسترش خطاهای تک فاز جلوگیری کند، ایمنی عملیاتی بالایی دارد و برای سناریوهای جبران متمرکز پست مناسب است.

6. کنترل جریان هجومی برای سوئیچینگ TSC

بر اساس مشخصه اصلی خازن ها که "ولتاژ نمی تواند ناگهان تغییر کند"، اختلاف زیادی بین ولتاژ شبکه و ولتاژ باقیمانده خازن (شامل دامنه و فاز) در طول سوئیچینگ TSC، جریان هجومی آنی ایجاد می کند که ایمنی قطعه را تهدید می کند. بنابراین، کنترل جریان هجومی هسته کنترل سوئیچینگ TSC است.

● استاندارد قضاوت جریان هجومی: استاندارد عمومی مهندسی این است که وقتی نسبت جریان هجومی به جریان کارکرد ثابت{0}}خازن کمتر از 1.2 تا 1.5 برابر باشد، برای تریستورها، خازن‌ها و سایر اجزاء بی‌ضرر در نظر گرفته می‌شود. اگر نسبت از این محدوده فراتر رود، استراتژی کنترل سوئیچینگ باید بهینه شود یا اقدامات محدودکننده فعلی اضافه شود.

● صفر-اجرای سوئیچینگ هجومی: حالت ایده آل سوئیچینگ "صفر{0}}تقاطع راه اندازی" است. پس از توقف سوئیچینگ، خازن حداکثر ولتاژ شبکه را حفظ می کند. تریستور در نقطه تقاطع صفر که در آن ولتاژ شبکه و ولتاژ باقیمانده خازن از نظر دامنه و فاز برابر است، با جریان هجومی نزدیک به{4}صفر، راه اندازی و هدایت می شود. در حین خاموش شدن، تریستور در نقطه عبور{6}صفر فعلی مسدود می شود تا از اضافه ولتاژ جلوگیری شود.

7. سیستم تشخیص و کنترل TSC

عملکرد اصلی سیستم تشخیص TSC جمع آوری پارامترهای الکتریکی مربوط به شبکه برق و سیستم بار در زمان واقعی است که مبنای دقیقی برای کنترل سوئیچینگ فراهم می کند. این عمدتا شامل یک ماژول نمونه برداری فاز، یک ماژول محاسبه ولتاژ و جریان RMS، و یک ماژول محاسبه توان راکتیو و تقاضای توان راکتیو است.

فن‌آوری‌های کنترل پیشرفته در کاربردهای صنعتی کنونی از فناوری کنترل فاز سنکرون مبتنی بر میکرو رایانه{0}} و فناوری راه‌اندازی تریستور تطبیقی ​​استفاده می‌کنند. مکانیسم کار این است: سیستم تشخیص اطلاعات دامنه و فاز ولتاژ در خازن و ولتاژ شبکه را در زمان واقعی ضبط می کند. هنگامی که این دو از نظر دامنه برابر و در فاز یکسان هستند، تریستور فوراً برای دستیابی به سوئیچینگ هجومی صفر خازن فعال می‌شود. در حین خاموش شدن، تریستور به طور خودکار در نقطه عبور صفر فعلی مسدود می شود، بدون اینکه خازن از قبل شارژ شود.

نکته مهم: راکتورهای سری و دستگاه های تخلیه ویژه (کویل تخلیه یا مقاومت تخلیه) اجزای ضروری در سیستم های TSC هستند و نمی توان آنها را حذف کرد. راکتورهای سری برای محدود کردن جریان و سرکوب هارمونیک استفاده می‌شوند و دستگاه‌های تخلیه ولتاژ باقیمانده خازن را پس از سوئیچ کردن آزاد می‌کنند تا از خطرات ایمنی احتمالی ناشی از ولتاژ باقیمانده جلوگیری کنند. فقط TSC با ظرفیت کوچک-ولتاژ کم-می‌تواند دستگاه تخلیه را تحت شرایط کاری خاص ساده کند، در حالی که{4}}ولتاژ بالا و- TSC با ظرفیت بالا باید به اجزای محدود کننده و تخلیه کامل جریان مجهز باشد.

8. نتیجه گیری

به عنوان یک دستگاه جبران توان راکتیو پویا کارآمد و سریع، TSC دارای مزایای اصلی سوئیچینگ بدون تماس، سرعت پاسخ سریع و عملکرد قابل اعتماد است. این می تواند به طور موثر مشکل نوسانات توان راکتیو شبکه را حل کند، کیفیت ولتاژ شبکه را بهبود بخشد و تلفات خط را کاهش دهد. نکات فنی کلیدی آن عبارتند از:{2}}کنترل راه‌اندازی صفر، سرکوب جریان هجومی، انتخاب راکتور و سازگاری حالت سیم‌کشی. در طراحی و کاربرد عملی، رعایت دقیق استانداردهای صنعت برق، اجتناب از سوء تفاهم در استراتژی‌های انتخاب و کنترل قطعات و اطمینان از عملکرد ایمن، پایدار و کارآمد سیستم ضروری است.

اکنون تماس بگیرید