Контактори за капацитивни товари

06.06.2012   |   Начало»Статии

Редактор
Пепа Петрунова

Редактор
Пепа Петрунова

Преходните процеси във вериги с капацитети се различават от тези във вериги с индуктивен или резистивен характер. Това е причината за множество особености при превключването на мощни кондензатори и кондензаторни батерии в сравнение с другите видове товари, което определя различните изисквания към параметрите на използваните превключватели и съществуването на специализирани контактори за капацитивни товари. В каталозите се използват наименованията Capacitor Contactor и Capacitor Duty Contactor, като с второто производителите подчертават голямата полза от използването на контакторите без да има реални разлики в действието и параметрите на двете разновидности.

Контакторите са с механични контакти и е логичен въпросът защо не се заместват с тиристори, ако не изцяло, то поне в част от случаите. Първата причина е, че контакторите не са уязвими към отскоци на мрежовото напрежение, които могат да предизвикат грешно включване на тиристорите. Освен това опитът на големите производители показва, че контакторите, въведени в експлоатация от 1998 г. насам, досега не са изисквали никакво подържане. Освен това настъпила повреда се открива лесно и повреденият контактор бързо може да бъде заменен.

Същност на контакторите за капацитивни товари
Основните техни приложения са в системите за корекция на cosj PFC (Power Factor Correction), където се включват и изключват кондензатори или кондензаторни батерии (Capacitor Stack) така, че да го приближат до 1. Самите системи за PFC се поставят между електрическия товар и мрежата, като се свързват към нея непосредствено или чрез трансформатор. При включването към нея на незареден кондензатор (тъй като по принцип никой кондензатор не може да е напълно разреден, се приема че е такъв при напрежение под 50 V), който реално представлява късо съединение, се получава импулс на тока (Inrush current) IT.

Неговата амплитуда се ограничава единствено от съпротивлението и индуктивността на свързващите проводници, от съпротивлението на загубите и собствената индуктивност на кондензаторите, както и от съпротивлението и паразитната индуктивност на намотката на трансформатора (ако има такъв). През последните години производителите на кондензатори за PFC постоянно намаляват тяхното съпротивление и индуктивност, което допринася за увеличаването на амплитудата на IT.

По принцип съществуват два типа системи за PFC, първият от които са системи, предназначени за един товар и използващи кондензатор със сравнително голям капацитет, разположен в непосредствена близост до товара. Благодарение на този капацитет и нищожните съпротивление и индуктивност на свързващите проводници, типичната форма на тока е дадена със синята графика на фиг. 1а, като In е номиналният ток на кондензатора. Дадената амплитуда IT = 30 In е най-често срещаната, но в зависимост от вида на системата за PFC и начина на свързването й към товара реалната стойност на амплитудата може да е между 10 In и 40 In.

Вторият тип системи са предназначени за подържане на cosj на по-големи обекти -например цех или цяло предприятие и са разположени в близост до захранващото табло, като има две разновидности. В едната товар са всички машини и тя използва един кондензатор или батерия със значително по-голям капацитет, разположени далеч от таблото. Амплитудата на IT е както в предния случай, тъй като евентуалното му увеличаване поради капацитета се компенсира от по-големите съпротивление и индуктивност на свързващите проводници. В тези два случая сравнително неголемите амплитуди на IT и малкото време за установяване на In (обикновено 1-2 ms) са причината някои производители да препоръчват като възможно използването за целта и на определени свои модели контактори с друго основно предназначение. Втората разновидност е и най-често срещаният практически случай – многостъпални системи с множество товари (Multistage Multiload PFC Systems).

При тях всеки товар има собствена система за корекция на фактора на мощността, като кондензаторите им се захранват от общата електрическа мрежа. В резултат на това при включването на даден кондензатор амплитудата на IT ще се определи не само от моментната стойност на мрежовото напрежение, но и от зарядите на кондензаторите на останалите системи. Резултатът е аналогичен импулс на тока отново с продължителност 1-2 ms, но с типична стойност на IT до около 200 In (фиг. 1б), която в немалко реални случаи е между 100 In и 200 In. Тук ползването на контактори за капацитивни товари е задължително, тъй като при други контактори само след няколкостотин превключвания контактите се разяждат и залепват.

Това означава кондензаторът да остане непрекъснато включен към електрическата мрежа, което е абсолютно недопустимо в автоматичните системи за PFC, тъй като те непрекъснато следят стойността на cosj и в зависимост от нея включват и изключват кондензатори, за да осигурят във всеки момент максимално възможната му стойност.

Когато свързващите проводници и кондензаторите имат сравнително по-големи паразитни индуктивности и малки съпротивления, при включването на кондензаторите към мрежата в образувания трептящ кръг възникват затихващи трептения с типични стойности на честотата между 3 kHz и 15 kHz. Като пример на фиг. 2а е дадена осцилограма, получена при свързването на кондензатор с работно напрежение 400 V и In=18 A. Мащабът по вертикалата е 250 А/дел, което означава максимална амплитуда около 1200 А, а мащабът по хоризонталата от 0,5 ms/дел показва продължителност на преходния процес около 2 ms при честота fo на паразитните трептения около 3 kHz.

Действие на контакторите
Съществуват еднофазни и трифазни контактори за капацитивни товари с практически еднакво действие, като трифазните са много по-масово разпространени и затова само те се използват в обясненията, давани по-нататък в текста. Най-важната особеност в действието на контакторите е свързана с намаляването (в идеален случай премахването) на импулсния ток при включване или до конструкции, при които неговите стойности не намаляват надеждността им и не скъсяват техния експлоатационен срок. Правени са многобройни опити за ползване на обикновени контактори чрез свързване между тях и кондензатора на бобина с индуктивност (например около 5 mH). Отскоците на тока действително рязко са намалели, но са се получили нежелателни допълнителни явления, които правят такива контактори реално неизползваеми в огромната част от практическите случаи. Например оказало се е, че резултатът от използването на този метод в многостъпални системи за PFC е, че само малка част от контакторите работят нормално, а повечето остават постоянно включени.

Едно от основните изисквания към контакторите е да осигуряват номиналния ток In на кондензатора, получаван в установен режим (Steady State Condition). Този ток се определя на основата на напрежението U на кондензатора и максималната му реактивна мощност Qc, която може да се натрупа върху него според израза In=0,577 Qc/U. При това трябва да се има предвид, че дадената в каталога мощност Qn е при номиналното напрежение Un, докато при работа на кондензатора с друго напрежение U, реактивната му мощност е Qc=Qn(U/Un)2. Например кондензатор 400 V/50 kvar работи при напрежение 380 V. Неговата реактивна мощност е Qc = 50x(380/400)2, kvar = 45,1 kvar и номиналният му ток е In = 0,577x45100/380 = 68,5 A.

Номиналният ток на основния контакт на контактора, който осигурява работата в установен режим, трябва да е по-голям. Толерансите на мрежовото напрежение и наличието на хармоници в него изискват токът на контакта да е с 30% по-голям от In. Освен това като се вземат предвид и производствените толеранси на капацитета на кондензаторите, те трябва да имат с 15% по-голяма реактивна мощност и съответно контактът трябва да е с още толкова по-голям ток. Поради това според множество стандарти (например IEC 60831-1 Edition 2002) основният контакт трябва да има ток 1,5 In. В някои каталози той се нарича Rated Thermal Current с означение Ith

Максималната амплитуда на тока IТ (означавана тук като ITmax) и честотата fo на паразитните трептения се изчисляват по различен начин в зависимост от това дали свързаните към мрежата кондензатори или кондензаторни батерии са с еднаква или различна максимална мощност. Формулите за това се дават в техническата документация за примерни приложения на контакторите. За най-простия случай на кондензатори и батерии с еднаква мощност ITmax= 1457 Ц`Qc/(L+Lt)`, където  Qc е максималната енергия в кондензатора в kvar, L и Lt са паразитните индуктивности в mH съответно на всеки от проводниците на трифазната мрежа и на вторичната намотка на всяка от фазите на трансформатора. Например при Qc = 20 kvar, L = 2 mH и Lt = 1 mH се получава ITmax = 3760 A. Определянето на L и Lt също се изяснява в Application Notes чрез формули и/или графики.

Един от основните принципи за намаляване на ITmax е изяснен чрез масово използваната схема на фиг. 3а (тя е в сила за всяка от трите фази). За включване на кондензатора на изводи А1 и А2 на общата за трите фази бобина (Coil) на контактора се подава необходимото напрежение и най-напред се затварят предварителните контакти (Pre-contact) РА, които свързват кондензатора С към напрежението U през два ограничаващи резистора (Damping Resistor), които намаляват максималната амплитуда на тока. След няколко ms (точната стойност зависи от вида на контактора) се затварят трите основни контакта РР за свързване непосредствено към напрежението на вече частично заредените кондензатори, поради което токът в момента на затварянето им е значително по-малък. Това се вижда от осцилограмата на фиг. 2б, която е за същия кондензатор и със същите мащаби, както тази на фиг. 2а – максималната амплитуда на тока е малко над 250 А, а затихващите трептения са с максимална амплитуда около 200 А и честота около 2,5 kHz.

В зависимост от типа на контактора за по-нататъшното състояние на РА има две възможности. Първата и най-често използвана е РА да се отворят 5-10 ms след затварянето на РР, при което отделената мощност върху ограничаващите резистори е пренебрежимо малка. Твърде малко са контакторите, при които РА остават затворени през цялото време, докато кондензаторите са свързани към напрежението. За изключване на кондензаторите чрез премахване на напрежението на бобината на контактора в този случай най-напред се отварят РА и след това РР, които реално прекъсват веригата. Самите ограничаващи резистори и предварителните контакти се монтират в самостоятелна кутия, закрепена на предната страна на контактора или всеки от тях е реализиран като самостоятелен елемент. Полезно е да се има предвид, че основните контакти се правят от специални сплави, за да издържат голям брой превключвания. Освен това не са рядкост контактори, които освен предварителните контакти имат един или няколко допълнителни нормално отворени и/или нормално затворени контакта за свързване на спомагателни вериги, например индикация на състоянието на контактора.

Друг начин за намаляване на амплитудата на тока е като последователно с кондензаторите се свържат въздушни бобини, като в техническата документация за примерни приложения (Application Notes) се дават и формули за връзката на индуктивността им с техните геометрични размери и диаметъра на проводника. Чрез бобините се установява ITmax безопасен за основните контакти и затова стават излишни допълнителните заедно с резисторите. Например ако контактите издържат ITmax = 1000 А, за свързване към тях на кондензаторите от предния пример трябва L да се увеличи на 42,5 mH, т. е. допълнителните бобини да имат индуктивност 40,5 mH. Пример за свързване на допълнителни бобини е даден на фиг. 3б.

При изключването на каквото и да е устройство, съдържащо мощен кондензатор (с голямо количество електричество, т. е. с голяма реактивна мощност Qc) или кондензаторна батерия, те трябва да бъдат разредени. Най-простата възможност е през външната верига, в която са свързани, например ако са успоредно на електродвигател се разреждат през намотката му. При липса на такава верига е задължително тя да бъде осигурена в устройството, като кондензаторът трябва да разреди до определено напрежение за определено време. Например според действащия в Германия стандарт VDE Specification 0560, part 4 напрежението и времето трябва да са съответно 50 V и 1 минута. Разреждането се извършва през подходящо свързани резистори, като практическото правило е да се поставят задължително към всички кондензатори с Qc=0,5 kvar. Според стандарта IEC 60831-1 clause 22 разреждането трябва да е за време t най-много 3 минути от напрежение UnЦ2 до напрежение Ur, не по-голямо от 75 V. От значителното разнообразие на схеми за свързване на фиг. 4 са показани две от масово използваните схеми, като съпротивлението R на резисторите се определя от израза R=kt/`Cln(UnЦ2/Ur)`, където константата k има стойност 3 за схемата на фиг. 4а и 1 за тази на фиг. 4б, а останалите величини са в основните мерни единици. Например кондензаторна батерия с капацитет 5000 mF и напрежение Un = 380 V, свързана по схемата на фиг. 4а трябва да се разрежда до 40 V за 1 минута – необходимото съпротивление на резисторите в схемата е 13,9 kW. При ползване на други схеми за свързване на резисторите изразът за изчислението им е същият, но k е с различна стойност, давана в каталога на контактора.

Основни параметри
Първият параметър е максималната реактивна мощност (Rated Power, Rated Operational Power, Max kvar Switching Capacity, Ratings for Switching Capacitor Banks) Qc, която контакторът може да осигури. За всеки контактор тя зависи от мрежовото напрежение, към което се свързва кондензаторът, като нараства по приблизително линеен закон. Стойностите й за трифазни контактори са в границите от около 3 kvar до около 600 kvar. При някои контактори е зададена и минималната й стойност, която обикновено е 2-3 пъти по-малка от Qc. Освен това Qc намалява с увеличаване на температурата на контактора – стойностите й в каталозите обикновено се дават при 40 °С, докато например при 70 °С тя е с 20-30% по-малка. За еднофазни контактори стойността на Qc е от около 2 kvar до 24 kvar. Мрежовото напрежение, с което контакторът може да работи (Rated Voltage), се означава с Ue и Un и е в границите 220 V – 690 V както за трифазни, така и за еднофазни контактори. Обикновено използваните стойности са 220, 230, 240, 380, 400, 415, 460, 480, 500, 550, 575, 600, 660 и 690 V. Понякога параметър е и максималният ток (Rated Current, Rated Operational Current, Max Amperes) с означения In и Ith и стойности между 10 А и около 600 А. Сравнително рядко освен него се дава и максималната стойност на импулсния ток (Maximal Peak Current), която достига до няколко kA. Също понякога параметър е и максималният ток на късо съединение (Short Time Current, Short Time Withstand) във веригата на контактора, като се отбелязва и максимално допустимото време на протичането му (обикновено между 1 s и 10 s). При време 1 s той е 8-18 пъти по-голям от In, а при 10 s – от 4 до 8 пъти по-голям.

Една група параметри е свързана с основния контакт. Максималният брой на неговите превключвания за 1 час (Maximal Operating Rate) е в границите от 80 до 350. В процеса на експлоатация на контакторите настъпват неизбежни промени в повърхностите на основния контакт (замърсяване и макар и малки промени на формата им), което е причина за намаляване на максималния брой на превключванията. Гарантираният им брой (Electrical Durability, Electrical Life) в рамките на експлоатационния срок е между 105 и 3.106, като намалява при някои контактори, когато работят в горната граница на Un (например 250 000 при напрежение до 500 V и 100 000 за 500 – 690 V). Трябва да се внимава този параметър да не се обърка с давания в някои каталози максимален брой на механичните превключвания (Mechanical Durability), който е без основният контакт да е свързан в електрическа верига.

Изследванията на някои производители за техните контактори показва удвояване на максималния брой превключвания при свързване на подходяща бобина във веригата на основния контакт, но засега няма сведения, че това е в сила за всички видове контактори. Независимо от малкото съпротивление на затворените контакти, значителният In води до отделяне върху тях под формата на топлина на електрическа мощност (Power Loss Contact) със стойности между 0,2 W и около 40 W, която се дава като параметър само в част от каталозите. Времената за отваряне (Break Switching Delay) и за затваряне (Make Switching Delay) също се дават само в част от каталозите и имат типични стойности 10 – 20 ms. Независимо от важността на максималното напрежение и ток на допълнителните контакти те много рядко се дават като параметри. Единственото, което се отбелязва, е техният брой и вид (нормално отворени или нормално затворени).

Отделна група параметри е свързана с бобината на контактора. Обикновено производителите предлагат набор от бобини с различно напрежение и клиентът може да поръча контактор с желаната от него стойност. Има бобини, захранвани с постоянни напрежения между 9 V и 250 V и с променливи напрежения (между 12 V и 690 V) с мрежова честота. Важна величина е консумираната от бобината мощност, но тя не винаги се дава и по принцип има две стойности – в момента на задействане на контактите (Pick-up Power) и за поддържане на всяко от статичните им състояния (Hold Power), като типичните стойности на втората са от няколко VА до около 20 VА, а първата обикновено е 8-10 пъти по-голяма.
Работната температура на контакторите е с долна граница между -25 и -40 °С и горна от +55 до +70 ° С.

За защита на контакторите от недопустимо голям ток в установен режим често между тях и мрежата се свързват предпазители във всяка от фазите срещу евентуално късо съединение в кондензаторите. Препоръчва се те да са от индустриалния gG type с ток на задействане между 1,5In и 1,8In. При това те не трябва да се задействат от импулсния ток на включвания кондензатор. В немалко каталози се дават стойностите на тока на предпазителите за различни мощности на кондензаторите.

Контактори за повишени напрежения
Съществуват индустриални приложения, например индукционни пещи за нагряване и топене на метали, които работят с напрежения Un до няколко kV. За подобряване на техния cosj съответно са необходими по-високоволтови кондензатори и контактори. Последните имат някои особености в сравнение с вече разгледаните, първата от които е, че с малки изключения са само еднофазни. Освен това като параметър вместо реактивната мощност се предпочита максималният ток на контактора в установен режим IM, при което мощността очевидно е UnIM. Три характерни примера за свързването на тези контактори са дадени на фиг. 5. Схемата на фиг. 5а показва друга от особеностите - използването на един резистор за ограничаване на импулсния ток при включване на кондензатора, като предварителният контакт е вляво, а основният – над кондензатора. При нужда от големи стойности на капацитета се свързват успоредно 2 до 4 кондензатора, всеки от които има собствен основен контакт. Пример за схемата на контактор с 4 кондензатора е даден на фиг. 5б, която показва наличието на единствен предварителен контакт. Трудностите при изработката на контакти, които не допускат пробив в отворено състояние при големи напрежения върху тях, е причината за съществуването на контактори с два последователно свързани основни контакта (фиг. 5в).

Максималното работно напрежение (Rated Voltage) Un е в границите от 1,2 kV до 3 kV, но освен него специфичен параметър е изолационното напрежение (Rated Insulation Voltage) Ui със стойности между 2 kV и 3 kV, т. е. при най-високоволтовите контактори Ui = Un. Максимално допустимият ток в установен режим (Admissible Rated Current) IM е между 100 и 500 А, което означава, че максималната реактивна мощност на кондензаторите може да е в границите от 1,2 kV x 100 А = 120 kvar и 3 kV x 500 A = 1,5 Mvar. Тези мощности налагат по-голямо напречно сечение на контактите (те са по-тежки), а по-големите Ui – значително по-голямо разстояние между тях, когато са отворени. Резултатът е необходимост от по-голяма мощност на бобината, която на съществуващите на пазара контактори е между 800 VА и 2300 VА за затваряне на контактите и от 140 VА до 230 VА за задържането им в това състояние.

Вакуумни контактори
Не са редки случаите на работа на контакторите в условията на силно замърсена околна среда, например в мини и открити кариери. Прахът, често съпътстван с вредни химически вещества, бързо би повредил контактите. За избягване на това се използват вакуумните контактори (Vacuum Contactor) с допълнително предимство, че в процеса на експлоатация не се скъсява максималният брой на превключванията за един час. Сравнително малко са вакуумните контактори за капацитивни товари, те са само трифазни и имат специфичната особеност, че ITmax не трябва да е по-голям от 10In. Съществуват контактори за Un със стойности 240 V, 440 V, 575 V, 1 kV и 1,5 kV с максимална мощност между 54 kvar и 1,56 Mvar, чийто набор от бобини е за променливи напрежения между 120 V и 480 V и за постоянни 125 V и 250 V. За 1 час превключванията могат да са до 1000, а гарантираният им брой е 500 000.

Препоръки за монтажа и експлоатацията
Контакторите не би трябвало да се използват в помещения с газове, предизвикващи корозия, например съдържащи хлорни и сулфидни съединения, киселини и основи. В силно запрашени помещения трябва редовно почистване на контакторите и контактите. Външните предварителни резистори често се нагряват твърде много и затова приборите около контакторите трябва да са от трудно запалими или самоизгасяващи се материали. Местата за монтиране на контакторите трябва да гарантират безопасност срещу механични и други повреди поради невнимателни действия. Материалът на свързващите проводници трябва да е препоръчваният в каталога на контакторите (твърде рядко се изискват алуминиеви проводници). За гарантиране на сигурността на действие на контакторите в голяма част от каталозите се дават необходимият диаметър вид на проводниците (едножилни или многожилни) за връзка с мрежата заедно с вида и размерите на необходимите клеми. Понякога се отбелязва и необходимият момент на затягане (Tightening Torque) на клемите.

Твърде строги са изискванията за свързването на контакторите към кондензаторите, като неспазването им може да доведе до прегряване на мястото на връзка и недостатъчно здраво затягане на проводниците. На първо място диаметърът на проводниците трябва да е в съответствие със стандарта IEC 60947-1, например при максимален ток 50 А трябва да е 10 mm2, а при 150 А е необходимо сечение 50 mm2. При използване на кабели с многожилни проводници техният край за свързване към съответния извод на кондензатора трябва да е отрязан както е показано вдясно на фиг. 6 (неправилното отрязване е вляво), а самите проводници не трябва да се калайдисват. В някои каталози на контактори или Application Notes се дава необходимата дължина на оголения проводник. Допуска се (при възможност за свързване към извода на кондензатора) използването на два успоредно съединени кабела със сумарно сечение според изискванията. Практически не се допуска замяна на повредени основни контакти, а трябва да се смени целият контактор.

Обикновено контакторите се монтират на вертикална плоскост (стена, шина) и ако могат да бъдат завъртени на произволен ъгъл, това се указва в каталога. При много контактори е допустимо завъртане само на определен ъгъл спрямо вертикалата. Когато се допуска отклонение от вертикалното положение на плоскостта, то също се дава в каталога.

Значителна част от контакторите позволяват присъединяване към тях на допълнителни блокове (например контакти за спомагателни вериги), които разширяват възможностите им. В такива случаи производителите обикновено дават упътвания за монтажа.

Нормалната работа на всеки контактор е осигурена, само когато напрежението на бобината му е над определената в каталога минимална стойност. Затова съществуват контактори с вграден блок (Undervoltage Monitor), който сигнализира при по-малко напрежение или изключва контактора. При липса на такъв блок се препоръчва свързване на допълнителен външен прибор със същото предназначение.

Ключови думи: контактори   капацитивни товари   корекция на cosj PFC   Power Factor Correction   кондензатори   кондензаторни батерии  

Област: Статии