晶閘管電子開關(guān)模塊的特點與應(yīng)用

無功補償是電力系統(tǒng)運行的基本要求。為了在電力系統(tǒng)運行中進行無功平衡，必須對各種電力負荷所需的無功功率進行補償。無功補償?shù)姆椒ㄓ姓{(diào)相機補償和電容器組補償?shù)?，其中最為有效和易于實施的是在靠近負荷點的地方進行就地?zé)o功補償。由于無功補償掛接在電網(wǎng)上主要是通過自動投入和切除電力電容器來達到補償效果，因此，控制電容器投切的開關(guān)元件性能對整個裝置的質(zhì)量和穩(wěn)定性起著非常關(guān)鍵的作用。目前，國內(nèi)的無功補償產(chǎn)品控制器普遍采用交流接觸器或可控硅作為開關(guān)元件來控制電容器的通斷。
　　
1電容補償裝置的投切開關(guān)方式和特點
　　
電容式補償裝置的投切開關(guān)主要有交流普通接觸器、帶預(yù)設(shè)電阻的專用接觸器和晶閘管電子開關(guān)等方式。
　　
1.1普通交流接觸器
　　
交流接觸器的價格低、通用性強，但在用于電容器投切時會產(chǎn)生很大的浪涌和脈沖過電壓，有時可能導(dǎo)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電容投切專用接觸器
　　
電容投切專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，這種改進在電容器投切不頻繁時能起到一定作用，但其抑制電容器涌流的效果并不理想。當(dāng)電流較大時，其限流電阻和主觸頭也常被燒損，特別是在無功負荷波動大和電容器投切頻繁的情況下，實際使用壽命往往僅為一年左右。因此，這種專用接觸器只適用于符合基本平穩(wěn)、三相電壓基本平衡的理想工作條件。
　　
1.3晶閘管電子開關(guān)模塊
　　
晶閘管電子開關(guān)充分利用了電壓過零觸發(fā)、電流過零切除、開關(guān)無觸點、響應(yīng)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。而在斷開時，晶閘管上的電流過零切除．可實現(xiàn)電容器投入無涌流、切除無過壓、投切無電弧的快速動態(tài)補償功能，故能較好地解決電容器投切時產(chǎn)生的暫態(tài)沖擊問題。但是，晶閘管在導(dǎo)通狀態(tài)下存在較大的管壓降(1V左右)，故在工作時，應(yīng)考慮消耗功率和其產(chǎn)生和散發(fā)的大量熱量，而這會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(shè)備的性能比較
　　
利用接觸器控制補償設(shè)備與用晶閘管控制方法來補償設(shè)備的性能比較如表1所列。

2晶閘管電子開關(guān)模塊的內(nèi)部功能
　　
晶閘管電子開關(guān)模塊主要包括反并聯(lián)晶閘管、過零檢測觸發(fā)模塊、抑制過電壓的阻容吸收裝置和散熱裝置。
　　
2.1過零觸發(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(dāng)系統(tǒng)電壓和電容器殘壓的差值較大時，觸發(fā)晶閘管會產(chǎn)生很大的沖擊電流，而可能直接損壞晶閘管。為了實現(xiàn)動態(tài)無功補償裝置快速響應(yīng)，同時又保證投切無沖擊電流，因此需要檢測電容器電壓和電網(wǎng)電壓。只有當(dāng)兩者大小相等、極性相同時，才能瞬時投入電容。因此需要加裝過零觸發(fā)模塊。目前，從晶閘管兩端取得過零信號的典型觸發(fā)電路是MOC3083。MOC3083芯片內(nèi)部有過零觸發(fā)判斷電路，它是為220V電網(wǎng)電壓設(shè)計的專門芯片，其芯片的雙向可控硅耐壓為800V。在4、6兩端電壓低于12V時，如果輸入觸發(fā)電流，其內(nèi)部的雙向可控硅導(dǎo)通。圖1所示是用在380V電網(wǎng)的TSC電路上串聯(lián)兩只MOC3083的過零觸發(fā)模塊的內(nèi)部電路圖。

事實上，在非過零觸發(fā)時，其電流沖擊往往能達到穩(wěn)定值的3倍以上，而當(dāng)過零觸發(fā)時，其電流沖擊一般僅為穩(wěn)定值的1.5倍，而其電容電壓沖擊僅為穩(wěn)定值的1.15倍。
　　
2.2抑制過電壓阻容吸收裝置
　　
模塊過壓保護一般也可采用阻容吸收法。對于持續(xù)時間較短，能量不大的過電壓，一般可在模塊兩端并聯(lián)阻容吸收電路，用吸收電容把過電壓的電磁能量變成靜電能量存貯起來。而用吸收電阻不但可以防止電路振蕩，還可限制晶閘管導(dǎo)通時電容放電所產(chǎn)生的開通損耗和di／dt值。并聯(lián)在晶閘管開關(guān)模塊的RC值可參考表2。

需要說明的是，阻容吸收電路中的電容應(yīng)采用交流電容器，其輸入電壓為380V時，應(yīng)采用630V，輸入電壓為220V時，則可采用500V的電容耐壓。
　　
2.3散熱裝置
　　
晶閘管開關(guān)模塊在運行過程中，其晶閘管芯片的結(jié)溫將升高。為了使結(jié)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(wěn)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。這里簡要介紹風(fēng)冷散熱器的選擇方法。
　　
晶閘管開關(guān)模塊的主電路由二個反并聯(lián)晶閘管組成。根據(jù)模塊內(nèi)單個晶閘管的通態(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(jié)溫(125℃)，RTHJC為結(jié)到散熱板的熱阻。
　　
求出散熱器熱阻RTHCA后，再選定相應(yīng)的散熱器的型號規(guī)格(DXC-450DXC-616DXC-573)，事實上，散熱器的熱阻應(yīng)比計算的熱阻小，即：

若一個散熱器上裝有幾個模塊，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(jù)可選散熱器的熱阻值(或散熱器的熱阻曲線)即可選定合適的散熱器長度。
　　
在無功補償實際應(yīng)用中，可將晶閘管電子開關(guān)模塊用在TSC低壓無功補償以替代接觸器，這樣，就可以在開關(guān)電壓過零時投入補償電容量，從而避免了沖擊電流的產(chǎn)生和瞬間電網(wǎng)電壓的波動。圖2所示是其工作波形圖。

通過對低壓無功補償裝置兩種投切開關(guān)的分析與比較，可以看出，晶閘管電子無觸點開關(guān)不但具有過零投切涌流小、無過電壓等優(yōu)點，而且可以解決工作時的散熱問題。在實際工作中，其操作壽命幾乎是無限的，可以頻繁投切，而且投切時刻可以精確控制，因此，能實現(xiàn)無過渡過程的平穩(wěn)投入和切除，其動態(tài)響應(yīng)時間僅為0.01～0.02s，因而是電容投切比較理想的開關(guān)。