新型獲取晶閘管電壓過(guò)零信號(hào)的電路

前言

在快速無(wú)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(chǎng)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(guò)零點(diǎn)觸發(fā)，確定晶閘管電壓過(guò)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(yáng)極和陰極取得過(guò)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(guò)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。

1 介紹晶閘管投切電容器的原理和快速過(guò)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(wú)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(wú)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?？焖俜磻?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(méi)有。

2 兩類晶閘管的觸發(fā)電路的特點(diǎn)和存在的問(wèn)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(guò)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(méi)有送電時(shí)，給觸發(fā)命令，可以測(cè)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。

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(guò)零信號(hào)比較困難，過(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)控制3相電路，電路簡(jiǎn)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(wèn)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)晶閘管的電壓波形

*在晶閘管電壓波形過(guò)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(guó)外著名產(chǎn)品的首次投切的電流波形。

圖六：國(guó)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(guò)零信號(hào)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(duì)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(hào)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(hào)變化，輸出信號(hào)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(guò)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(guò)零信號(hào)的，其過(guò)零觸發(fā)的原理框圖見(jiàn)圖七，晶閘管過(guò)零電壓檢測(cè)電路原理圖見(jiàn)圖八。本文作者經(jīng)過(guò)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(guò)零信號(hào)和觸發(fā)晶閘管的方法，開(kāi)發(fā)一種新型的電路，特點(diǎn)是采集晶閘管的過(guò)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(lái)觸發(fā)晶閘管。其電路框圖如圖九。

圖七 TSC過(guò)零觸發(fā)的原理框圖

圖八晶閘管過(guò)零電壓檢測(cè)電路原理圖

圖九：過(guò)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(guò)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(méi)有沖擊，由于第一次投切電容器沒(méi)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(guò)零電壓，在過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)晶閘管是理想狀態(tài)，應(yīng)該沒(méi)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(wú)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(cè)試波形。一只表筆測(cè)量晶閘管兩端的電壓和另一只測(cè)量晶閘管的電流波形，這樣，可以看出晶閘管是否在過(guò)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(zhǎng)期停止態(tài)開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)放在三角形內(nèi)的效果

圖十六晶閘管開(kāi)關(guān)放在三角形內(nèi)首次動(dòng)作無(wú)沖擊

4 結(jié)論：

新型的晶閘管兩端采集過(guò)零信號(hào)的電路，滿足快速無(wú)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。