新型獲取晶閘管電壓過零信號的電路

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。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，一種是從晶閘管的陽極和陰極取得過零信號。

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。

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。

2 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，一類為從晶閘管兩端取得同步信號。

從電網(wǎng)電壓取得同步信號的電路框圖如圖二：

電路中包括同步變壓器、同步信號處理電路和功率驅(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)電壓取得同步信號觸發(fā)適合。缺點(diǎn)為電路復(fù)雜，對于400V小容量的TSC電路造價(jià)高。

圖二： 電網(wǎng)電壓取得同步信號的觸發(fā)電路

從晶閘管兩端取得過零信號比較困難，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，一對晶閘管導(dǎo)通另一對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)：。

圖五不正常的兩對晶閘管的電壓波形

*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。

*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的電路，由此產(chǎn)生一系列觸發(fā)電路。

觸發(fā)器的功能與電路結(jié)構(gòu)有關(guān)。有電路結(jié)構(gòu)分，有D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器;D觸發(fā)器又有傳輸門控型，維持阻塞型兩種。豈外，還有其他T觸發(fā)器，SR觸發(fā)器，D觸發(fā)器，和JK觸發(fā)器可以轉(zhuǎn)換成其他功能的觸發(fā)器。對于不同結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器，其觸發(fā)條件何方式是不一樣的，但我們應(yīng)該記住一點(diǎn)的是，出發(fā)方式就兩種，一種是脈沖電平觸發(fā)方式，一種是脈沖邊沿觸發(fā)方式。

脈沖電平觸發(fā)方式：指觸發(fā)器的狀態(tài)在脈沖信號的的高電平期間改變觸發(fā)器的狀態(tài)。注意這里的高電平期間，指出了觸發(fā)器的狀態(tài)在脈沖的高電平1期間是不斷變化的(只要輸入信號變化，輸出信號變化)比如SR傳輸門控鎖存器是這種。脈沖邊沿觸發(fā)方式：又分為兩種，一種是脈沖邊沿的上升沿，觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生改變，比如D觸發(fā)器;一種是脈沖邊沿的下降沿觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生改變，比如JIK觸發(fā)器。

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，依照圖七、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將它反饋到輸入的低壓端再做信號邏輯處理來觸發(fā)晶閘管。其電路框圖如圖九。

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。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。

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：

新型的晶閘管兩端采集過零信號的電路，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、不同電壓等級和不同的晶閘管形式，效果不錯(cuò)，對應(yīng)不同需求產(chǎn)生了一系列觸發(fā)電路。