晶閘管電子開(kāi)關(guān)模塊的特點(diǎn)與應用

無(wú)功補償是電力系統運行的基本要求。為了在電力系統運行中進(jìn)行無(wú)功平衡，必須對各種電力負荷所需的無(wú)功功率進(jìn)行補償。無(wú)功補償的方法有調相機補償和電容器組補償等，其中最為有效和易于實(shí)施的是在靠近負荷點(diǎn)的地方進(jìn)行就地無(wú)功補償。由于無(wú)功補償掛接在電網(wǎng)上主要是通過(guò)自動(dòng)投入和切除電力電容器來(lái)達到補償效果，因此，控制電容器投切的開(kāi)關(guān)元件性能對整個(gè)裝置的質(zhì)量和穩定性起著(zhù)非常關(guān)鍵的作用。目前，國內的無(wú)功補償產(chǎn)品控制器普遍采用交流接觸器或可控硅作為開(kāi)關(guān)元件來(lái)控制電容器的通斷。
　　
1電容補償裝置的投切開(kāi)關(guān)方式和特點(diǎn)
　　
電容式補償裝置的投切開(kāi)關(guān)主要有交流普通接觸器、帶預設電阻的專(zhuān)用接觸器和晶閘管電子開(kāi)關(guān)等方式。
　　
1.1普通交流接觸器
　　
交流接觸器的價(jià)格低、通用性強，但在用于電容器投切時(shí)會(huì )產(chǎn)生很大的浪涌和脈沖過(guò)電壓，有時(shí)可能導致絕緣擊穿或接觸器觸頭燒損，容易造成接觸器損壞，從而影響補償裝置的使用。
　　
1.2電容投切專(zhuān)用接觸器
　　
電容投切專(zhuān)用接觸器是在普通交流接觸器的主觸頭上加裝了限流阻抗器件，這種改進(jìn)在電容器投切不頻繁時(shí)能起到一定作用，但其抑制電容器涌流的效果并不理想。當電流較大時(shí)，其限流電阻和主觸頭也常被燒損，特別是在無(wú)功負荷波動(dòng)大和電容器投切頻繁的情況下，實(shí)際使用壽命往往僅為一年左右。因此，這種專(zhuān)用接觸器只適用于符合基本平穩、三相電壓基本平衡的理想工作條件。
　　
1.3晶閘管電子開(kāi)關(guān)模塊
　　
晶閘管電子開(kāi)關(guān)充分利用了電壓過(guò)零觸發(fā)、電流過(guò)零切除、開(kāi)關(guān)無(wú)觸點(diǎn)、響應速度快等晶閘管特性，可使電容上的電壓從零快速上升到額定工作電壓。而在斷開(kāi)時(shí)，晶閘管上的電流過(guò)零切除．可實(shí)現電容器投入無(wú)涌流、切除無(wú)過(guò)壓、投切無(wú)電弧的快速動(dòng)態(tài)補償功能，故能較好地解決電容器投切時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊問(wèn)題。但是，晶閘管在導通狀態(tài)下存在較大的管壓降(1V左右)，故在工作時(shí)，應考慮消耗功率和其產(chǎn)生和散發(fā)的大量熱量，而這會(huì )使運行和維護的成本加大。
　　
1.4接觸器與晶閘管控制補償設備的性能比較
　　
利用接觸器控制補償設備與用晶閘管控制方法來(lái)補償設備的性能比較如表1所列。

2晶閘管電子開(kāi)關(guān)模塊的內部功能
　　
晶閘管電子開(kāi)關(guān)模塊主要包括反并聯(lián)晶閘管、過(guò)零檢測觸發(fā)模塊、抑制過(guò)電壓的阻容吸收裝置和散熱裝置。
　　
2.1過(guò)零觸發(fā)模塊
　　
由于切除的電容器上一般都有剩余電壓，而電容器兩端的電壓不能突變，因此，當系統電壓和電容器殘壓的差值較大時(shí)，觸發(fā)晶閘管會(huì )產(chǎn)生很大的沖擊電流，而可能直接損壞晶閘管。為了實(shí)現動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置快速響應，同時(shí)又保證投切無(wú)沖擊電流，因此需要檢測電容器電壓和電網(wǎng)電壓。只有當兩者大小相等、極性相同時(shí)，才能瞬時(shí)投入電容。因此需要加裝過(guò)零觸發(fā)模塊。目前，從晶閘管兩端取得過(guò)零信號的典型觸發(fā)電路是MOC3083。MOC3083芯片內部有過(guò)零觸發(fā)判斷電路，它是為220V電網(wǎng)電壓設計的專(zhuān)門(mén)芯片，其芯片的雙向可控硅耐壓為800V。在4、6兩端電壓低于12V時(shí)，如果輸入觸發(fā)電流，其內部的雙向可控硅導通。圖1所示是用在380V電網(wǎng)的TSC電路上串聯(lián)兩只MOC3083的過(guò)零觸發(fā)模塊的內部電路圖。

事實(shí)上，在非過(guò)零觸發(fā)時(shí)，其電流沖擊往往能達到穩定值的3倍以上，而當過(guò)零觸發(fā)時(shí)，其電流沖擊一般僅為穩定值的1.5倍，而其電容電壓沖擊僅為穩定值的1.15倍。
　　
2.2抑制過(guò)電壓阻容吸收裝置
　　
模塊過(guò)壓保護一般也可采用阻容吸收法。對于持續時(shí)間較短，能量不大的過(guò)電壓，一般可在模塊兩端并聯(lián)阻容吸收電路，用吸收電容把過(guò)電壓的電磁能量變成靜電能量存貯起來(lái)。而用吸收電阻不但可以防止電路振蕩，還可限制晶閘管導通時(shí)電容放電所產(chǎn)生的開(kāi)通損耗和di／dt值。并聯(lián)在晶閘管開(kāi)關(guān)模塊的RC值可參考表2。

需要說(shuō)明的是，阻容吸收電路中的電容應采用交流電容器，其輸入電壓為380V時(shí)，應采用630V，輸入電壓為220V時(shí)，則可采用500V的電容耐壓。
　　
2.3散熱裝置
　　
晶閘管開(kāi)關(guān)模塊在運行過(guò)程中，其晶閘管芯片的結溫將升高。為了使結溫維持在125℃最高額定值以下，必須使用散熱器。而且，散熱條件的好壞，也直接影響模塊的安全、穩定和可靠運行。目前，散熱方法有水冷、風(fēng)冷(強迫和自然風(fēng)冷)和熱管冷卻等方法。這里簡(jiǎn)要介紹風(fēng)冷散熱器的選擇方法。
　　
晶閘管開(kāi)關(guān)模塊的主電路由二個(gè)反并聯(lián)晶閘管組成。根據模塊內單個(gè)晶閘管的通態(tài)平均電流IT(AV)、通態(tài)峰值電壓VRM、模塊接觸熱RTHCH、以及平均功率(PT(AV)=0.85VRMIT(AV)，即可計算出散熱裝置的熱阻RTHCA：


　式中：TC為殼溫(即散熱板的溫度)，TA為環(huán)境溫度。

　　散熱板的最高溫度TCMAX，可由下式求得：


式中：TVJ為晶閘管的最高結溫(125℃)，RTHJC為結到散熱板的熱阻。
　　
求出散熱器熱阻RTHCA后，再選定相應的散熱器的型號規格(DXC-450DXC-616DXC-573)，事實(shí)上，散熱器的熱阻應比計算的熱阻小，即：

若一個(gè)散熱器上裝有幾個(gè)模塊，則可將∑PT(AV)=nPT(AV)代人式(3)，并求出∑PT(AV)，然后再選定散熱器。根據可選散熱器的熱阻值(或散熱器的熱阻曲線(xiàn))即可選定合適的散熱器長(cháng)度。
　　
在無(wú)功補償實(shí)際應用中，可將晶閘管電子開(kāi)關(guān)模塊用在TSC低壓無(wú)功補償以替代接觸器，這樣，就可以在開(kāi)關(guān)電壓過(guò)零時(shí)投入補償電容量，從而避免了沖擊電流的產(chǎn)生和瞬間電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。圖2所示是其工作波形圖。

通過(guò)對低壓無(wú)功補償裝置兩種投切開(kāi)關(guān)的分析與比較，可以看出，晶閘管電子無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)不但具有過(guò)零投切涌流小、無(wú)過(guò)電壓等優(yōu)點(diǎn)，而且可以解決工作時(shí)的散熱問(wèn)題。在實(shí)際工作中，其操作壽命幾乎是無(wú)限的，可以頻繁投切，而且投切時(shí)刻可以精確控制，因此，能實(shí)現無(wú)過(guò)渡過(guò)程的平穩投入和切除，其動(dòng)態(tài)響應時(shí)間僅為0.01～0.02s，因而是電容投切比較理想的開(kāi)關(guān)。