新型獲取晶閘管電壓過(guò)零信號的電路

前言

在快速無(wú)功補償和諧波濾波裝置中，要用晶閘管作為執行元件投切電容器，做為T(mén)SC電路。執行元件晶閘管根據應用場(chǎng)合的不同，有餅式的、模塊的和雙向可控硅的不同結構型式。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(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，一種是從晶閘管的陽(yáng)極和陰極取得過(guò)零信號。

本文分析現存的各種觸發(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理如圖一所示，

當電路的諧振次數n為2、3時(shí)，其值很大。式(2)的第三項給出當觸發(fā)角偏離最佳點(diǎn)時(shí)的振蕩電流的幅值;式(2)中的第二項給出當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峰值觸發(fā)導通投切電容器組，電容器預充電到峰值電壓。

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?？焖俜磻獣r(shí)，在平衡補償電路，不能出現不平衡動(dòng)作，即有的相有電流，有的沒(méi)有。

2 兩類(lèi)晶閘管的觸發(fā)電路的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題

從同步信號的采集上，有兩類(lèi)晶閘管觸發(fā)電路。一類(lèi)為從電網(wǎng)電壓取得同步信號，一類(lèi)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動(dòng)電路、脈沖變壓器隔離電路等。當得到觸發(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、GAL電路等。電路中包括相序錯判斷功能。

從電網(wǎng)電壓取得同步信號的優(yōu)點(diǎn)為在主回路沒(méi)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(guò)零信號比較困難，過(guò)零觸發(fā)要求電壓高時(shí)截止，電壓最低低時(shí)導通觸發(fā)。幾乎找不出什么元件是這種特性。如穩壓管，電壓低截止，電壓高維持電壓不變。不滿(mǎn)足要求。

目前，從晶閘管兩端取得過(guò)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芯片內部有過(guò)零觸發(fā)判斷電路，它是為220V電網(wǎng)電壓設計的，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，內部的雙向可控硅就導通。

用在380V電網(wǎng)的TSC電路上要串聯(lián)幾只3083。在2控3的TSC電路應用如圖四：

圖四 2控3的TSC電路

用2對晶閘管開(kāi)關(guān)控制3相電路，電路簡(jiǎn)單了，控制機理復雜了。這種觸發(fā)電路隨機給觸發(fā)命令要出現下面的許多麻煩問(wèn)題。

快速動(dòng)作時(shí)，有觸發(fā)命令，一對晶閘管導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)存在電壓升高的現象和危險，這種現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。此試驗晶閘管存在高壓擊穿的可能，所以用調壓器將電網(wǎng)電壓調低。晶閘管導通時(shí)兩端電壓為零，不導通，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：。

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(guò)零點(diǎn)，串聯(lián)的MOC3083由于分壓不均勻，使得3083有的導通有的停止。電網(wǎng)電壓升高時(shí)，原先導通的依然導通，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(zhù)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載。

*合閘瞬間存在MOC3083誤導通現象，誤導通可能損害晶閘管。

* 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電路設計困難。

3 新型的晶閘管兩端采集過(guò)零信號的電路，由此產(chǎn)生一系列觸發(fā)電路。

觸發(fā)器的功能與電路結構有關(guān)。有電路結構分，有D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器;D觸發(fā)器又有傳輸門(mén)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)器可以轉換成其他功能的觸發(fā)器。對于不同結構的觸發(fā)器，其觸發(fā)條件何方式是不一樣的，但我們應該記住一點(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(mén)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。

在主回路中設計過(guò)零觸發(fā)電路實(shí)屬不易，查閱文獻有采用基于霍爾原理工作的LEM模塊采集過(guò)零信號的，其過(guò)零觸發(fā)的原理框圖見(jiàn)圖七，晶閘管過(guò)零電壓檢測電路原理圖見(jiàn)圖八。本文作者經(jīng)過(guò)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(guò)零信號和觸發(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)零信號將它反饋到輸入的低壓端再做信號邏輯處理來(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)零電壓檢測電路原理圖

圖九：過(guò)零采集控制邏輯光電驅動(dòng)電路框圖

400V電網(wǎng)電壓多數采用模塊晶閘管，可以采用光電驅動(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動(dòng)。如圖十。

圖十：過(guò)零采集控制邏輯脈沖變壓器驅動(dòng)電路框圖

中壓TSC，根據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，應用單片機做邏輯時(shí)間控制觸發(fā)2控3電路。

投切電流相對沒(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，當沖擊電流與正常穩定電流之比≤1.7倍時(shí)，可以認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(zhù)過(guò)零電壓，在過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)晶閘管是理想狀態(tài)，應該沒(méi)有沖擊電流。

新觸發(fā)電路達到了快速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(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50ms/格快速動(dòng)作

圖十四：從長(cháng)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，正常穩定電流峰值為24A，沖擊電流/穩定電流=1.33。

晶閘管開(kāi)關(guān)放在三角形內的效果更好，同時(shí)可以分相控制補償不平衡負載。

圖十五晶閘管開(kāi)關(guān)放在三角形內的效果

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

4 結論：

新型的晶閘管兩端采集過(guò)零信號的電路，滿(mǎn)足快速無(wú)沖擊投切電容器的要求，在諧波電流嚴重的狀態(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，對應不同需求產(chǎn)生了一系列觸發(fā)電路。