A modern fázisjavítás

2010/9. lapszám | Polgár Viktor | 8385 |

Figylem! Ez a cikk 14 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

E lap rendszeres olvasói az elmúlt hónapokban végigkísérhették a fázisjavítás fejlődését a fix kompenzációtól kezdve az automatikus fázisjavításig, beleértve a harmonikusok által okozott problémákat és azok megoldásának lehetőségeit is.

A főbb állomásokat az alábbiak szerint tekinthetjük át:

fázisjavítás alapjai,
fix meddőenergia-kompenzáció,
csoportos meddőenergia-kompenzáció,
automatikus fázisjavítás, melynek két részét ismertettük: hagyományos, „tiszta” kondenzátoros fázisjavító berendezések, illetve előtét (soros) fojtóval ellátott „fojtott-szűrőköri” fázisjavító berendezések.

Megismerhettük a passzív és az aktív szűrőket, melyek az „általunk” szennyezett belső, 0,4 kV-os hálózat tisztítására szolgálnak, azaz a szennyezett körülmények közötti biztonságos üzemeltetést hivatottak biztosítani. Az elmúlt hónapokban írt cikkekben szerepeltettük a fázisjavítás minden fontos elemét. Részletesen ismertettük a fázisjavításhoz szükséges minden fontos elemet, úgymint a kondenzátorokat, a mágneskapcsolókat, a vezérlő automatikákat, a fojtótekercseket, a biztosítást szolgáló elemeket, illetve egyéb alkatrészeket.

Feltehetjük a kérdést: van-e még valami, amit a fázisjavításról tudni kell? A válasz egyértelmű: igen, van. Mint már nagyon sokszor említettük, az élet nem áll meg, a technika rohamosan fejlődik. Rohanó világunkba beléptek a termelés minőségét, megbízhatóságát, az élő munkaerő megtakarítását, de főleg a gyors működést biztosító robotok. E robotok segítségével nagymértékben lehetett a termelést növelni, illetve a technológiai folyamatokat meggyorsítani. Milyen változást okozott a fázisjavítás területén ez a gyorsaság?

Mit is írtunk az elmúlt cikkekben a fázisjavító berendezés alkatrészeiről?

A kondenzátorokat kisütő ellenállásokkal kellett ellátni, hogy a kondenzátorok a legközelebbi bekapcsoláskor feszültségmentes állapotban legyenek, valamint életvédelmi szempontból ne maradhassanak feltöltött állapotban.
A vezérlő automatikák kapcsolási sebességét 40-50 sec időtartamra kell állítani, a kisülési idők miatt.
A mágneskapcsolók a főérintkezők összekapcsolódása előtt a segédérintkezőik segítségével biztosítják a bekapcsolási áramtranziensek csökkentését, lecsengését.
A mozgó alkatrészek alkalmazása miatt a kapcsolási gyakoriság jelentősen korlátozva van. A gyakorlatban 20 másodperc alá nem szokták állítani a kapcsolási gyakoriságot a kapcsolók élettartamának megóvása érdekében.

Mit is jelentenek a fent leírtak?

Egyértelműen időt. Idő kell a kondenzátorok feszültségmentes állapotának eléréséhez, idő kell a vezérlő automatikák kapcsolási parancsának kiadásához, idő kell a mágneskapcsolók stabil kapcsolásához. Mit szólnak ehhez a robotok, melyek arra lettek kitalálva, hogy a gyártási sebességet óriásira növeljék (l. ponthegesztő robotok)? Ezek a robotok a másodperc töredéke alatt végzik el munkájukat, és ezt a megkívánt technológiai folyamatoknak megfelelően ismétlik, ismétlik, és megint csak ismétlik. Könnyen belátható, hogy hagyományos fázisjavítással a robotok meddőigényének kompenzálása megoldhatatlan, ezért a meddőenergia-kompenzálásnak követnie kell a modern gépek meddőenergia-felvételének sebességét is. Mi a teendő akkor, ha az alkalmazott technológia miatt a mágneskapcsolós fázisjavítás szóba sem jöhet? A válaszok a következők szerint artikulálhatók:

robbanásveszélyes hely, ahol szikraképződés nem lehet,
gyors kapcsolások szükségesek,
a szennyeződések elkerülése érdekében a külső behatásoktól való teljes elszigetelés. Az elektrotechnika fejlődése erre a problémakörre is megoldást adott. Megalkották a teljesítmény-tirisztort a teljesítményelektronikai átalakításokhoz, ennek hatására kialakították a tirisztoros fázisjavítást.

Néhány szó röviden a tirisztorról

Ez egy félvezető áramköri elem, amely kapcsolóként működik, bizonyos alkalmazásokban vezérelt egyenirányítóként is használják. A vezérlőelektróda és a katód lábai közé kapcsolt vezérlőjel hatására a tirisztor „begyújt”, vagyis áramot vezető állapotba kerül. Az átfolyó áram csak akkor szűnik meg, ha a tirisztor anód-katód lábai között az átfolyó áram erőssége megszűnik, amely állapot két esetben fordul elő a gyakorlatban:

szinuszos jel egyenirányításakor a szinusz jel nullátmenetének pillanatában,
egyenirányított szinuszos jel esetén a szűretlen, úgynevezett lüktető egyenáram nullába futásakor. A felhasználáskor a triachoz hasonlóan, ha nem a szinusz jel elején lesz „begyújtva” a tirisztor, akkor ezzel a módszerrel teljesítményszabályozó, illetve lágyindító áramkör készíthető, amelyben a tirisztor minimális disszipációval rendelkezik, ezáltal jó a hatásfoka, és csak csekély hűtést igényel.

A tirisztor három p-n átmenetet tartalmaz

Felépítése

A tirisztor három p-n átmenetet tartalmaz. Ebből kettő nyitóirányú, egy pedig záróirányú. A tirisztornak három érintkezője van: anód, katód és a vezérlőelektróda. Amennyiben a vezérlést az elektromos áram mindkét periódusára szeretnénk alkalmazni, két tirisztort szemben, egymással párhuzamosan kapcsolva alkalmazunk.

A tirisztor egy vezérlőelektródával (G-gate, kapu) ellátott négyrétegű dióda. Pozitív anódfeszültség esetén a vezérlőelektródára adott pozitív feszültség csökkenti a középső p-n átmenet lezárását, így már kisebb UAK feszültség mellett bekövetkezik a billenés (gyújtás). Nagyobb UG vezérlőfeszültség mellett – mivel tovább csökken a középső p-n átmenet záró hatása – még kisebb UAK feszültség szükséges a billenéshez. Mivel a billenés után a négy- rétegű dióda és így a tirisztor is bekapcsolt ál-lapotban marad, a vezérlőfeszültséget nem szükséges tartósan a G elektródán hagyni. A gyújtófeszültség ezért egy pozitív feszültségimpulzus is lehet. A tirisztor kikapcsolása úgy lehetséges, hogy az IA áramot a tartóáram értéke alá csökkentjük.

A meddőteljesítmény-kompenzálás is szoros léptekkel követi a technológiai fejlődést. Ma már sok esetben a hagyományosan alkalmazott 30-40 másodperces időszakonkénti elemzés és kapcsolóképesség nem elégíti ki az elvárásokat, ezért a szokásosan alkalmazott meddőkompenzáló berendezések számára az üzemek fejlődése és bővülése során jelentős műszaki elvárásokat támaszthatnak egyik percről a másikra. A gyorsan (60-80 msec) változó meddő teljesítményt igénylő berendezések, mint például a hegesztő berendezések, liftek, adagolómotorok (keverő üzemekben) üzemelése esetén más megoldáshoz kell folyamodni a fogyasztó által felvett meddő teljesítmény kompenzálására.

Kisebb UAK feszültség mellett is bekövetkezik a billenés (gyújtás)

A hagyományos technológiákat alkalmazó berendezésekkel ez nem megoldható. Elsőre mindenkiben felmerül, hogy a teljesítménytényező-javításban résztvevő automatikák – belső felépítésüknek köszönhetően – igen gyorsan reagálnak, ezért lehetőség van akár 1 másodperces reagálási idő megadására is. Mindazonáltal hangsúlyosan figyelembe kell venni, hogy az automatikák képességeivel nem minden esetben van összhangban a berendezés többi alkotóeleme. A legfőbb problémát a kapcsolásra alkalmazott mágneskapcsolók okozhatják, mert az ilyen jellegű kapcsolókészülékeknél ahhoz, hogy az élettartam ne csökkenjen jelentősen, az újbóli kapcsolás elvégzéséhez 20-25 másodperces szünetet szükséges tartani. Ennek az egyszerű szabálynak a be nem tartása idő előtti meghibásodást okoz. A nagy kapcsolási gyakoriság (ha az adott kondenzátort még a kisülési idő előtt visszakapcsoljuk) a kondenzátorok élettartamát is károsan befolyásolja, akár kondenzátorrobbanás is bekövetkezhet, ha feltöltött kondenzátorra esetleg ellenfázisban kapcsolunk rá. Azoknál a fogyasztóknál, ahol a hagyományos meddőkompenzáló berendezés a kapcsolási idők miatt nem alkalmazható, tirisztoros meddőkompenzáció kerülhet beépítésre. Az ilyen jellegű berendezések újdonsága egy félvezetős (tirisztor) kapcsolókészülék, amelynek segítségével a kondenzátoregységek kapcsolási gyakorisága növelhető.

A félvezetős kapcsolókészülékkel szemben támasztott legfőbb követelmény az, hogy a kapacitív áram bekapcsolására és megszakítására alkalmas legyen. A kapcsolás feszültségkülönbség-minimumnál történik, így a tranziens áramok jelentősen csökkenthetők, megszüntethetők. Az alkalmazott tirisztorok általában soros fojtótekerccsel ellátott kondenzátorfokozatokat kapcsolnak. A tiszta teljesítménykondenzátorok kapcsolására alkalmas tirisztorok ára duplája a fojtott fokozatok kapcsolására alkalmas tirisztorokénak, mindennek az oka a bekapcsolás következtében felléphető áramlökés. Kijelenthető, hogy azokon a helyeken, ahol félvezetők alkalmazására van szükség, 99 szá- zalék, hogy a felharmonikusokkal szemben támasztott követelmények indokolttá teszik a soros fojtótekercs alkalmazását és a visszakapcsolási idő rövidségét. A gyorskompenzáláshoz nem minden esetben elegendő egy gyorsan működtethető kapcsoló, az érzékelésnek és vezérlésnek is illeszkednie kell a gyorskompenzációhoz. A kapcsolásokért felelős automatikák a mikroprocesszoroknak köszönhetően msec-os kapcsolási időket tesznek lehetővé, a jelfeldolgozás és a szükséges beavatkozás rövid idő alatt megoldható. A legszűkebb keresztmetszet ebben az esetben is a kapcsolókészülék (tirisztor).

A gyakorlatban használt tirisztoros kondenzátorkapcsolók 40-60 msec-mal képesek kapcsolni, ez jelentős fejlődésnek mondható a 40 másodperchez képest. A visszakapcsoló képesség 20-40 msec körül van. Ha ezeket az adatokat vesszük figyelembe, akkor például egy 8 (160 msec) periódusig tartó meddőteljesítmény-igénnyel járó technikai folyamatot 6 periódus alatt ki lehet kompenzálni. A tiszta tirisztoros berendezés alkalmazása (annak ellenére, hogy tökéletes megoldást biztosít az esetek 99%-ában) ma még viszonylag költséges, ezért lehetőség van a hagyományos és az újnak számító eljárás kombinációjára is: az ilyen jellegű berendezéseket minden esetben egyedileg kell méretezni a hálózathoz igazodva.

A felharmonikusokkal terhelt esetekben ennek méretezése és tervezése hálózati méréseket indokol a megfelelő fázisjavítási megoldás eldöntése érdekében. Azoknál a fogyasztóknál, amelyek meddőteljesítmény-változását hagyományos módszerekkel is ki lehet kompenzálni, költségkímélési célból nem érdemes gyorskompenzációval élni. A gyors meddőkompenzációt csak azoknál a fogyasztóknál kell kialakítani, ahol a hagyományos megoldások nem felelnek meg a műszaki elvárásoknak. A félvezetők alkalmazása a gyorsaságon kívül más előnyökkel is jár.

Számos olyan felhasználási hely van, ahol a környezeti hatások miatt a hagyományos mágneskapcsolókat nem lehet használni, mert a környezetben szálló por vagy esetleg grafitszálak veszélyt jelentenek a kapcsolókészülékek biztonságos üzemvitelére, vagy a kapcsolás következtében létrejövő ívet kell elkerülni (szikramentes kontaktus). A mozgó alkatrészek miatt mindezen problémák elkerülhetetlenek voltak eddig. A félvezetőkben nincsenek mozgó alkatrészek, tehát a félvezetős kapcsolókészülékek alkalmazása megengedhető az eddig problémásnak ítélt helyeken. A jelen technológiai fejlettség fokán, úgy tűnik, a fázisjavításban is elértük a lehetőségek határát.

A fázisjavító berendezések készek az élet minden területén helytállni, nincs olyan technológiai szegmens, ahol ne tudnák kellő hatékonysággal elvégezni feladatukat. E cikk írója biztos benne, amennyiben rohanó életünk új és új feladatok megoldása elé állítja a fázisjavítással foglakozó szakembereket, ezeket a feladatokat is meg fogják oldani. Mikor lesz erre szükség? Ma még nem tudni. Ha eljön az ideje, a Villanyszerelők Lapjában ismét megszólal a fázisjavítás történetét bemutató cikkek írója.

Fázisjavítás Meddő teljesítmény Teljesítménytényező