前言
在快速無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置中，要用晶閘管作為執(zhí)行元件投切電容器,，做為TSC電路,，前文分析了三種TSC的主電路。執(zhí)行元件晶閘管根據(jù)應(yīng)用場合的不同,，有餅式的,、模塊的和雙向可控硅的不同結(jié)構(gòu)型式。針對(duì)不同的主回路和不同的晶閘管型式,，觸發(fā)電路也不同,。TSC要求在晶閘管電壓過零點(diǎn)觸發(fā),，確定晶閘管電壓過零點(diǎn)的方法有兩種，一種是從電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào),，一種是從晶閘管的陽極和陰極取得過零信號(hào),。
本文分析現(xiàn)存的各種觸發(fā)電路的特點(diǎn)，由此推出一種新型的從主回路晶閘管上獲取晶閘管電壓過零信號(hào)的電路,，以該電路支撐產(chǎn)生一系列觸發(fā)電路,，取得了優(yōu)秀的觸發(fā)效果。首先：
1. 介紹晶閘管投切電容器的原理和快速過零觸發(fā)要求
晶閘管投切電容器組的關(guān)鍵技術(shù)是必須做到電流無沖擊,。晶閘管投切電容器組的機(jī)理如圖一所示,，
當(dāng)電路的諧振次數(shù)n為2、3時(shí),，其值很大,。
式（2）的第三項(xiàng)給出當(dāng)觸發(fā)角偏離最佳點(diǎn)時(shí)的振蕩電流的幅值;式（2）中的第二項(xiàng)給出當(dāng)偏離最佳予充電值時(shí)振蕩電流的幅值。若使電容器電流ic=C*du/dt=0,，則du/dt=0,，即晶閘管必須在電源電壓的正或負(fù)峰值觸發(fā)導(dǎo)通投切電容器組，電容器預(yù)充電到峰值電壓,。
觸發(fā)電路的功能是：電流無沖擊觸發(fā);快速投切,，20ms的動(dòng)作。這個(gè)20ms不是得到投切命令到產(chǎn)生動(dòng)作的時(shí)間,，而是從停止到再投入動(dòng)作的時(shí)間為20ms,。快速反應(yīng)時(shí),，在平衡補(bǔ)償電路,，不能出現(xiàn)不平衡動(dòng)作，即有的相有電流,，有的沒有,。
前言
在快速無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置中，要用晶閘管作為執(zhí)行元件投切電容器,，做為TSC電路,，前文分析了三種TSC的主電路。執(zhí)行元件晶閘管根據(jù)應(yīng)用場合的不同,，有餅式的,、模塊的和雙向可控硅的不同結(jié)構(gòu)型式。針對(duì)不同的主回路和不同的晶閘管型式,，觸發(fā)電路也不同,。TSC要求在晶閘管電壓過零點(diǎn)觸發(fā)，確定晶閘管電壓過零點(diǎn)的方法有兩種,，一種是從電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào),，一種是從晶閘管的陽極和陰極取得過零信號(hào),。
本文分析現(xiàn)存的各種觸發(fā)電路的特點(diǎn)，由此推出一種新型的從主回路晶閘管上獲取晶閘管電壓過零信號(hào)的電路,，以該電路支撐產(chǎn)生一系列觸發(fā)電路,，取得了優(yōu)秀的觸發(fā)效果。首先：
1. 介紹晶閘管投切電容器的原理和快速過零觸發(fā)要求
晶閘管投切電容器組的關(guān)鍵技術(shù)是必須做到電流無沖擊,。晶閘管投切電容器組的機(jī)理如圖一所示,，
當(dāng)電路的諧振次數(shù)n為2、3時(shí),，其值很大,。
式（2）的第三項(xiàng)給出當(dāng)觸發(fā)角偏離最佳點(diǎn)時(shí)的振蕩電流的幅值;式（2）中的第二項(xiàng)給出當(dāng)偏離最佳予充電值時(shí)振蕩電流的幅值。若使電容器電流ic=C*du/dt=0,，則du/dt=0,，即晶閘管必須在電源電壓的正或負(fù)峰值觸發(fā)導(dǎo)通投切電容器組，電容器預(yù)充電到峰值電壓,。
觸發(fā)電路的功能是：電流無沖擊觸發(fā);快速投切,，20ms的動(dòng)作。這個(gè)20ms不是得到投切命令到產(chǎn)生動(dòng)作的時(shí)間,，而是從停止到再投入動(dòng)作的時(shí)間為20ms,。快速反應(yīng)時(shí),，在平衡補(bǔ)償電路,，不能出現(xiàn)不平衡動(dòng)作，即有的相有電流,，有的沒有,。
1. 兩類晶閘管的觸發(fā)電路的特點(diǎn)和存在的問題
從同步信號(hào)的采集上，有兩類晶閘管觸發(fā)電路,。一類為從電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào),，一類為從晶閘管兩端取得同步信號(hào)。
從電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào)的電路框圖如圖二：
電路中包括同步變壓器,、同步信號(hào)處理電路和功率驅(qū)動(dòng)電路,、脈沖變壓器隔離電路等。當(dāng)?shù)玫接|發(fā)命令后,，在投切點(diǎn)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖列，經(jīng)過脈沖變壓器的隔離,，推動(dòng)晶閘管,。同步信號(hào)處理電路有濾波處理功能，可以是CMOS等的電子電路組成,，也可以是單片機(jī),、GAL電路等,。電路中包括相序錯(cuò)判斷功能。
從電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)為在主回路沒有送電時(shí),，給觸發(fā)命令,，可以測量晶閘管的觸發(fā)脈沖幅度和相位，在主回路得電后,，給觸發(fā)命令,，可以放心， TSC為正確的投入工作,。對(duì)于TSC電路中的兩只晶閘管+一只二極管的“2+1”電路,、兩只晶閘管+兩只二極管的“2+2”電路、三只晶閘管+三只二極管的“3+3”電路,，電容器有二極管預(yù)充電,， 電容器上一直存在直流電壓，晶閘管的交直流電壓不變,，電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào)觸發(fā)適合,。缺點(diǎn)為電路復(fù)雜，對(duì)于400V小容量的TSC電路造價(jià)高,。如果TSC全部采用晶閘管不用二極管,，由于晶閘管兩端的電壓隨著電容器放電電壓的減少逐漸小，意味著觸發(fā)點(diǎn)在變動(dòng),，上述電路不能跟隨變化觸發(fā)點(diǎn),，所以不適應(yīng)了。
圖二： 電網(wǎng)電壓取得同步信號(hào)的觸發(fā)電路
從晶閘管兩端取得過零信號(hào)比較困難,，過零觸發(fā)要求電壓高時(shí)截止,，電壓最低低時(shí)導(dǎo)通觸發(fā)。幾乎找不出什么元件是這種特性,。如穩(wěn)壓管,，電壓低截止，電壓高維持電壓不變,。不滿足要求,。
目前，從晶閘管兩端取得過零信號(hào)的典型觸發(fā)電路是MOC3083,，它的框圖如圖三：
圖三：MOC3083電路圖
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(jì)的，芯片的雙向可控硅耐壓800V,，在4,、6兩端電壓低于12V時(shí)如果有輸入觸發(fā)電流，內(nèi)部的雙向可控硅就導(dǎo)通,。
用在380V電網(wǎng)的TSC電路上要串聯(lián)幾只3083,。在2控3的TSC電路應(yīng)用如圖四：
圖四 2控3的TSC電路
用2對(duì)晶閘管開關(guān)控制3相電路,，電路簡單了，控制機(jī)理復(fù)雜了,。這種觸發(fā)電路隨機(jī)給觸發(fā)命令要出現(xiàn)下面的許多麻煩問題,。
快速動(dòng)作時(shí)，有觸發(fā)命令,，一對(duì)晶閘管導(dǎo)通另一對(duì)晶閘管不通電壓反而升高了,，限于篇幅和重點(diǎn)，本文不分析為什么電壓反而高了,，只是從測量的2控3電路中看到了確實(shí)存在電壓升高的現(xiàn)象和危險(xiǎn),，這種現(xiàn)象如同倍壓整流電路直流電壓升高了一樣。圖五測量不正常工作的兩對(duì)晶閘管的電壓波形,。此試驗(yàn)晶閘管存在高壓擊穿的可能,，所以用調(diào)壓器將電網(wǎng)電壓調(diào)低。晶閘管導(dǎo)通時(shí)兩端電壓為零,，不導(dǎo)通,，晶閘管有電容器的直流電壓和電網(wǎng)的交流電壓。測量C相停止時(shí)峰峰值電壓為540V,，其有效值= ,，圖中C相升高的電壓峰值為810V，升高電壓約為電網(wǎng)電壓有效值的倍數(shù)：,。推算,，400V電壓下工作，晶閘管有可能承受的電壓,，400V電網(wǎng)的TSC電路多數(shù)是采用模塊式的晶閘管,，模塊的耐壓不高，常規(guī)為1800V,，升高的管壓降很容易擊穿晶閘管元件,。
圖五不正常的兩對(duì)晶閘管的電壓波形
*在晶閘管電壓波形過零點(diǎn)，串聯(lián)的MOC3083由于分壓不均勻,，使得3083有的導(dǎo)通有的停止,。電網(wǎng)電壓升高時(shí)，原先導(dǎo)通的依然導(dǎo)通,，不同的要承受更高的電壓,，3083有可能擊穿。
* 在初次投切時(shí)有一定的沖擊,。下面是國外著名產(chǎn)品的首次投切的電流波形,。
圖六：國外公司產(chǎn)品的第一次觸發(fā)沖擊波形
記錄C相晶閘管兩端電壓，A相電流,。電流投切沖擊很大,，使得電網(wǎng)電壓都產(chǎn)生了變形。
*不能用于快速的沖擊負(fù)載,。最快幾百ms,，原因是晶閘管在剛剛停止時(shí)兩端電壓不為零，要等待電容器對(duì)電阻放電晶閘管兩端電壓才能衰減為零,。需要快速就要減小電阻,，增加電阻功率，結(jié)果耗能大,，不符合節(jié)能的要求,。
*合閘瞬間存在MOC3083誤導(dǎo)通現(xiàn)象，誤導(dǎo)通可能損害晶閘管,。
* 濾波裝置中諧波電流大時(shí),，晶閘管工作不正常，存在停止工作的情況,。
*電網(wǎng)電壓高于400V電路設(shè)計(jì)困難,。
3.新型的晶閘管兩端采集過零信號(hào)的電路，由此產(chǎn)生一系列觸發(fā)電路,。
在主回路中設(shè)計(jì)過零觸發(fā)電路實(shí)屬不易,，查閱文獻(xiàn)有采用基于霍爾原理工作的LEM模塊采集過零信號(hào)的，其過零觸發(fā)的原理框圖見圖七,，晶閘管過零電壓檢測電路原理圖見圖八,。本文作者經(jīng)過努力，依照?qǐng)D七,、圖八原理框圖和電路原理圖的思路,，擯棄了MOC3083在主回路取過零信號(hào)和觸發(fā)晶閘管的方法，開發(fā)一種新型的電路,，特點(diǎn)是采集晶閘管的過零信號(hào)將它反饋到輸入的低壓端再做信號(hào)邏輯處理來觸發(fā)晶閘管,。其電路框圖如圖九。這樣就完全克服了MOC3083的弱點(diǎn),。
圖七 TSC過零觸發(fā)的原理框圖
圖八晶閘管過零電壓檢測電路原理圖
圖九：過零采集控制邏輯光電驅(qū)動(dòng)電路框圖
400V電網(wǎng)電壓多數(shù)采用模塊晶閘管,，可以采用光電驅(qū)動(dòng)晶閘管如圖九。660V電網(wǎng)電壓,，電網(wǎng)電壓高,，需要采用脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)。如圖十,。
圖十：過零采集控制邏輯脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)電路框圖
中壓TSC,，根據(jù)絕緣要求需要采用脈沖磁環(huán)觸發(fā)。圖十一。
圖十一 中壓TSC采用脈沖磁環(huán)觸發(fā)
采用新觸發(fā)電路,，應(yīng)用單片機(jī)做邏輯時(shí)間控制觸發(fā)2控3電路,。
投切電流相對(duì)沒有沖擊，由于第一次投切電容器沒有直流電壓,，是不理想的狀態(tài),，必然有一定的沖擊，當(dāng)沖擊電流與正常穩(wěn)定電流之比≤1.7倍時(shí),，可以認(rèn)為不影響晶閘管和電容器的使用,。投切停止后，電容器上有電網(wǎng)峰值電壓,，晶閘管在電網(wǎng)電壓和電容器直流電壓的合成下,，存在著過零電壓，在過零點(diǎn)觸發(fā)晶閘管是理想狀態(tài),，應(yīng)該沒有沖擊電流,。
新觸發(fā)電路達(dá)到了快速20ms動(dòng)作，兩路晶閘管都動(dòng)作,，無電流沖擊,，晶閘管在停止時(shí)的承受電壓低，最大為3倍的有效值電壓,。
用雙蹤示波器測試波形,。一只表筆測量晶閘管兩端的電壓和另一只測量晶閘管的電流波形，這樣,，可以看出晶閘管是否在過零點(diǎn)投入,，又可以看出投入時(shí)的電流沖擊。由于使用兩個(gè)開關(guān)控制三相電路,，用雙蹤示波器分別測量兩路的電壓電流,，就可以完整的觀察到觸發(fā)器運(yùn)行的效果。A探頭為電壓,，B探頭為電流,。
圖十二為：連續(xù)投切的A相晶閘管電壓和C相電流的動(dòng)作波形。
橫軸為時(shí)間200ms/格,，縱軸電壓500V/格,，電流20A/格?？煽毓韫ぷ鲿r(shí)兩端的電壓零,，線路中有電流，停止時(shí)可控硅兩端有電壓,，電流為零,。在連續(xù)動(dòng)作中,，電流沒有沖擊。
圖十三：又一幅A相晶閘管電壓 C相電流,。橫坐標(biāo)50ms/格快速動(dòng)作
圖十四：從長期停止態(tài)開始工作的A相晶閘管電壓 C相電流,。
第一周波有點(diǎn)沖擊。沖擊電流的峰值32A,，正常穩(wěn)定電流峰值為24A,，沖擊電流/穩(wěn)定電流=1.33,。
晶閘管開關(guān)放在三角形內(nèi)的效果更好,，同時(shí)可以分相控制補(bǔ)償不平衡負(fù)載。
圖十五晶閘管開關(guān)放在三角形內(nèi)的效果
圖十六晶閘管開關(guān)放在三角形內(nèi)首次動(dòng)作無沖擊
4.結(jié)論：
晶閘管的觸發(fā)電路是保證觸發(fā)無沖擊快速動(dòng)作的重要部件,。新型的晶閘管兩端采集過零信號(hào)的電路,，滿足快速無沖擊投切電容器的要求，在諧波電流嚴(yán)重的狀態(tài)下依然可以正常動(dòng)作,，適合TSC的不同主回路,、不同電壓等級(jí)和不同的晶閘管形式，效果不錯(cuò),，對(duì)應(yīng)不同需求產(chǎn)生了一系列觸發(fā)電路,。
參考文獻(xiàn)：
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