0 引言
隨著柔性交流輸電和高壓直流輸電設(shè)備在電力系統(tǒng)中越來(lái)越多的應(yīng)用,，使晶閘管在高電壓大電流場(chǎng)合下的設(shè)計(jì)使用受到越來(lái)越多的關(guān)注,。晶閘管串聯(lián)閥在工作時(shí)，為了延長(zhǎng)晶閘管的使用壽命,，防止由于個(gè)別晶閘管未開(kāi)通或開(kāi)通不一致而導(dǎo)致工作時(shí)部分晶閘管承受過(guò)高的電壓而擊穿，從而導(dǎo)致整個(gè)閥組的損壞,，要求閥組中的每個(gè)晶閘管均能快速可靠開(kāi)通,，并且具有良好的開(kāi)通和關(guān)斷一致性。這就要求晶閘管串聯(lián)閥具有良好可靠的觸發(fā)電路,，能同時(shí)產(chǎn)生多路高尖峰脈沖,，來(lái)驅(qū)動(dòng)晶閘管串聯(lián)閥組中各個(gè)晶閘管快速可靠開(kāi)通。
本文研究的內(nèi)容就是一種在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用的晶閘管閥組的觸發(fā)電路設(shè)計(jì),。
1 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)
觸發(fā)脈沖電流的上升沿時(shí)間越短,、峰值越大，晶閘管開(kāi)通擴(kuò)散的速度就越快,，當(dāng)所有晶閘管開(kāi)通時(shí)間都大大縮短后,，晶閘管之間開(kāi)通的相對(duì)一致性就大大提高，從而降低了串聯(lián)閥中個(gè)別晶閘管長(zhǎng)時(shí)間承受過(guò)高電壓而損壞的幾率,。
1.1 觸發(fā)電路組成與工作原理
觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示,，主要包括如下幾個(gè)部分。
1）單相隔離供電變壓器T1 變比為AC220/AC220,、一次側(cè)與二次側(cè)間絕緣電壓35 kV,，為脈沖回路提供產(chǎn)生脈沖電流所需的能量。
2）充電限流電阻R3 限制電容C1的充電電流,。
3）防反流二極管D0 防止電容C1向變壓器T1倒送能量,。
4）儲(chǔ)能脈沖電容器C1 儲(chǔ)存產(chǎn)生脈沖所需的能量，最高充電電壓Uc可達(dá)310 V,。
5）阻容回路部分的R2和C2 起調(diào)整脈沖波形形狀的作用。
6）脈沖CT 變比20/1,，通過(guò)脈沖CT 形成最終觸發(fā)脈沖,。
7）放電電阻R1 限制放電電流。
8）非線性電阻R4 其轉(zhuǎn)折電壓為400 V,，用于保護(hù)MOSFET,。
9）脈沖信號(hào)板用來(lái)接收控制器通過(guò)光纖發(fā)來(lái)的脈沖光信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換,，驅(qū)動(dòng)MOSFET（IRFP460）開(kāi)通與關(guān)斷,，使電容C1 受控制器的控制進(jìn)行放電。脈沖信號(hào)板從變壓器T1 二次側(cè)取能,，通過(guò)單相變壓器AC220/AC20,，經(jīng)過(guò)整流濾波，由7805 和7812 輸出穩(wěn)定的+5 V和+12 V電源,，為脈沖信號(hào)板提供供電電源,。
10）BOD 模塊用來(lái)保護(hù)晶閘管在承受過(guò)電壓時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通,，防止晶閘管被高壓擊穿。
觸發(fā)電路工作原理：隔離變壓器T1 一次側(cè)接AC220 V電源,，二次側(cè)通過(guò)電阻R3和二極管D0向電容C1充電,，當(dāng)C1上的電壓達(dá)到峰值A(chǔ)C220 V，即310 V 左右時(shí),，二極管反向截止,，電容C1 上保持310 V左右的電壓。當(dāng)控制器發(fā)出觸發(fā)脈沖信號(hào),，信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳導(dǎo)至脈沖信號(hào)板,，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)MOSFET 開(kāi)通，電容C1開(kāi)始通過(guò)電阻R1放電,，這樣就有瞬間大電流通過(guò)8 個(gè)接在晶閘管門(mén)極的CT,，通過(guò)CT同時(shí)產(chǎn)生8 路晶閘管觸發(fā)電流信號(hào)。[3]
1.2 觸發(fā)電路的電位
在高壓條件下,，晶閘管串聯(lián)閥的絕緣問(wèn)題是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié),，如果絕緣問(wèn)題處理不好，那將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性,。
觸發(fā)電路的高電位部分和低電位部分之間的隔離主要是靠觸發(fā)CT 和穿過(guò)CT 的10 kV 絕緣的電流線,，為了降低對(duì)觸發(fā)CT 絕緣等級(jí)的要求，減小在高壓條件下串聯(lián)閥主回路對(duì)脈沖回路的影響,，同時(shí)降低對(duì)脈沖回路絕緣等級(jí)的要求,，將變壓器T1 二次側(cè)的地直接接在晶閘管串聯(lián)閥的第4和第5 個(gè)晶閘管之間，即串聯(lián)閥主回路的中點(diǎn)電位,，將脈沖回路的電位拉高至1/2 高電位,，如圖1中標(biāo)記為中點(diǎn)電位點(diǎn)的地方。從而使整個(gè)串聯(lián)閥結(jié)構(gòu)的電位全部提高,，這樣,，絕緣的要求就加到隔離供電變壓器T1 的一次側(cè)和二次側(cè)之間，而這里選用的變壓器T1 的一次側(cè)與二次側(cè)絕緣水平達(dá)到35 kV,，能夠很好的滿足10 kV 電壓等級(jí)的要求,。這樣設(shè)計(jì)能夠大大降低串聯(lián)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中對(duì)絕緣的要求，也降低了對(duì)觸發(fā)電路的絕緣要求,。
脈沖信號(hào)板的地與變壓器T1 一次側(cè)的中點(diǎn)電位點(diǎn)相連,，使脈沖信號(hào)板的電位也拉到高電平，從而使脈沖信號(hào)板能夠在高電壓下可靠工作,。
1.3 觸發(fā)電路參數(shù)對(duì)脈沖波形的影響
本設(shè)計(jì)中使用的晶閘管串聯(lián)閥是由8 支額定電壓6 000 V,、額定電流1 000 A 的晶閘管串聯(lián)壓接成的，適用于10 kV電壓等級(jí)。觸發(fā)脈沖電流的產(chǎn)生是利用電容充電儲(chǔ)能后放電,，形成尖峰大電流,，再通過(guò)接在每個(gè)晶閘管門(mén)極上的脈沖CT轉(zhuǎn)換為觸發(fā)脈沖，來(lái)驅(qū)動(dòng)晶閘管,。影響觸發(fā)脈沖波形的因素主要有兩個(gè)方面：一是電容放電回路的寄生電感,；二是觸發(fā)電路電阻、電容的參數(shù)配置,。這里為了減小電容放電回路的寄生電感,，放電回路的電阻采用無(wú)感電阻，大電流線走線方式采用往返走線,，即大電流線穿過(guò)觸發(fā)CT后再按原路從CT外部折回,，這樣走線的目的是為了最大限度地減小大電流線所圍的面積，以及最大限度地減小回路寄生電感,。
觸發(fā)電路電阻電容參數(shù)對(duì)觸發(fā)脈沖波形的影響如下,。各參數(shù)中對(duì)觸發(fā)波形影響較大的是放電電阻R1、阻容回路電容C2,、儲(chǔ)能脈沖電容器的最高充電電壓Uc,。R1阻值越小，脈沖峰值越高,，上升沿越陡,；阻容回路電容C2 越小，脈沖峰值越??；Uc值越高，脈沖峰值越高,，上升沿越陡,。阻容回路的工作原理如圖1 所示，當(dāng)電容C1 充電儲(chǔ)能后,，MOSFET 受控制信號(hào)的控制開(kāi)通,，C1 通過(guò)電阻R1瞬間放電，阻容回路中的電容C2 瞬間短路,，將電阻R2 旁路掉，觸發(fā)脈沖瞬間上升,，之后C1 開(kāi)始向C2 充電,，當(dāng)C2 充電完畢，電阻R2 接入放電回路中,，此時(shí)脈沖上升沿結(jié)束,，脈沖電流開(kāi)始減小。表1 是實(shí)驗(yàn)中所選電路參數(shù)與所測(cè)得波形參數(shù)的對(duì)照表,。需要說(shuō)明的是,，表1 中的波形上升時(shí)間為10%脈沖峰值電流到90%脈沖峰值電流時(shí)間,。達(dá)到2A時(shí)間為電流從0耀2 A的時(shí)間。
由表1 中的數(shù)據(jù)分析可得如表2 所列的波形分析,。
從表2 可以看出當(dāng)C1,、R1 不變，C2 減小時(shí),，脈沖波形的峰值電流減小,、波形上升時(shí)間減小、電流達(dá)到2 A的時(shí)間增大,、脈沖寬度增大,；當(dāng)C1、C2 不變,，R1 減小時(shí),，脈沖波形的峰值電流增大、波形上升時(shí)間減小,、電流達(dá)到2 A的時(shí)間減小,、脈沖寬度減小,；當(dāng)R1 不變,、C2 =1 滋F，C1減小時(shí),，脈沖波形的峰值電流不變,、波形上升時(shí)間不變、電流達(dá)到2 A的時(shí)間不變,、脈沖寬度減?。划?dāng)R1 不變,、C2 =0.5 滋F,，C1減小時(shí)，脈沖波形的峰值電流減小,、波形上升時(shí)間減小,、電流達(dá)到2 A的時(shí)間減小、脈沖寬度不變,，可見(jiàn)C1 與C2 共同作用影響脈沖波形,，但是C1的作用要弱。由表2 的分析對(duì)比可以看出C2,、R1,、C1的參數(shù)對(duì)脈沖波形的影響，要想得到圖2 所示的理想波形可以通過(guò)調(diào)整參數(shù)實(shí)現(xiàn)。另外提高C1的充電電壓也可以增大脈沖的峰值電流,、減小電流達(dá)到2 A的時(shí)間,。
觸發(fā)電路各個(gè)參數(shù)選擇的最終目標(biāo)是輸出所需的觸發(fā)脈沖波形。根據(jù)不同條件的要求輸出不同的觸發(fā)脈沖,，總的來(lái)說(shuō)是要使串聯(lián)晶閘管快速可靠開(kāi)通,，對(duì)于觸發(fā)脈沖，要求其有一定的電流上升率di/dt>2 A/滋s,；有一定的電流峰值Imax,，其大小與晶閘管尺寸有關(guān)，一般幾英寸的管子就需要幾A
2 晶閘管串聯(lián)閥開(kāi)通一致性
采用本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路可使晶閘管串聯(lián)閥導(dǎo)通的一致性大大提高,。圖11 是串聯(lián)閥中7只晶閘管開(kāi)通與關(guān)斷的電壓波形,、圖12 是串聯(lián)閥中7 只晶閘管開(kāi)通瞬間電壓波形，從圖中可以看出串2 晶閘管串聯(lián)閥開(kāi)通一致性采用本文所設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路可使晶閘管串聯(lián)閥導(dǎo)通的一致性大大提高,。圖11 是串聯(lián)閥中7只晶閘管開(kāi)通與關(guān)斷的電壓波形,、圖12 是串聯(lián)閥中7 只晶閘管開(kāi)通瞬間電壓波形，從圖中可以看出
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,，本觸發(fā)電路設(shè)計(jì)能夠大大提高串聯(lián)晶閘管的開(kāi)通一致性,，觸發(fā)脈沖到達(dá)2 A電流的時(shí)間已達(dá)到1.3 滋s，并且觸發(fā)電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，已通過(guò)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的串聯(lián)閥型式試驗(yàn),。該設(shè)計(jì)大大延長(zhǎng)了晶閘管的使用壽命，配合BOD模塊,，使串聯(lián)閥能夠在高電壓大電流條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,。