一種晶閘管投切的無功補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

盧中友

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，西安 710077）

能源對于國民經(jīng)濟(jì)的制約作用越來越明顯，隨著工業(yè)化的進(jìn)程，大型電力設(shè)備的應(yīng)用逐漸增加，工業(yè)領(lǐng)域的電力需求卻不斷增加，無功損耗亦逐步增高，造成巨大的能源浪費(fèi)。同時，信息化設(shè)備、高精度數(shù)控設(shè)備的日益增多，致使目前的電力供需矛盾不僅體現(xiàn)在用電負(fù)荷上，同時電能質(zhì)量的問題也越發(fā)尖銳。因此，世界范圍內(nèi)，特別是在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，電能質(zhì)量治理得到了廣泛關(guān)注。與此同時，電力系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償、諧波治理、電壓波動等電能質(zhì)量問題在我國也顯得異常突出，這些問題都與國家提出的科學(xué)發(fā)展觀觀點(diǎn)相違背，嚴(yán)重阻礙了節(jié)約型社會的發(fā)展進(jìn)程。

無功補(bǔ)償是當(dāng)前電能質(zhì)量治理最為突出、緊迫的問題。目前普遍采用的裝置主要為靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator,SVC）。它主要包括：晶閘管投切電容型無功補(bǔ)償器（Thyristor Switched Capacitor,TSC）、晶閘管控制電抗型無功補(bǔ)償器（Thyristor Controlled Reactor,TCR）、磁閥控制電抗型無功補(bǔ)償器（Magnetically Controlled Reactor,MCR）。TSC型無功補(bǔ)償轉(zhuǎn)置，采用晶閘管開關(guān)器件分組投切電容器技術(shù)改變裝置的無功出力，相比于TCR、MCR方式的無功補(bǔ)償裝置具有損耗小、成本低、安裝維護(hù)方便、可靠性高、應(yīng)用范圍寬、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，是目前無功補(bǔ)償領(lǐng)域的主力軍。按照電容分組投切開關(guān)的類型，TSC型的補(bǔ)償裝置可以分為：①機(jī)械開關(guān)（包括斷路器、接觸器、繼電器等）分組投切電容器，但機(jī)械開關(guān)存在投切涌流、投切時間長及開關(guān)投切次數(shù)少等弊端；②復(fù)合開關(guān)分組投切電容器，復(fù)合開關(guān)將電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)與機(jī)械開關(guān)相結(jié)合，在機(jī)械開關(guān)的通斷過程中，先期導(dǎo)通電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)，在機(jī)械開關(guān)完成通斷動作后，再關(guān)斷，避免了機(jī)械開關(guān)的投切涌流，卻依然不能解決開關(guān)的投切次數(shù)較少、開關(guān)過程時間長、切投間隔時間久等問題；③采用電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)投切，由于其能在每個周波內(nèi)無應(yīng)力打開、關(guān)斷，采用此開關(guān)的TSC型無功補(bǔ)償裝置可以做到系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)目焖?、精確，使系統(tǒng)運(yùn)行于較高的功率因數(shù)下，有效的解決電力傳輸中的線損、設(shè)備容量能力，改善用戶端的電壓降低等特點(diǎn)，逐漸成為目前電容分組投切型無功補(bǔ)償設(shè)備的性能最為優(yōu)越的開關(guān)器件。電力電子無觸點(diǎn)開關(guān)可采用的器件有SCR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT等，一般情況下，基于無功補(bǔ)償?shù)膽?yīng)用及成本考慮，目前主要以晶閘管器件為主。

1 TSC裝置中晶閘管開關(guān)的電氣特性分析

TSC無功補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，以角外控制的電容器角接形式控制難度最大。因此，本文以該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例分析在不同工況下，晶閘管開關(guān)的端電壓特性，設(shè)計(jì)其驅(qū)動電路，并驗(yàn)證。該電路完全可應(yīng)于TSC無功補(bǔ)償裝置的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)電容器負(fù)載采用三角連接角外控制時，每組投切開關(guān)中僅需兩組晶閘管開關(guān)，其原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中左右兩組投切開關(guān)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)差別在于晶閘管開關(guān)所控制的電容器相別有不同，其中左側(cè)組控制為A、C相，右側(cè)組控制為A、B相。

圖1 角接電容器型TSC裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

對于電力系統(tǒng)，系統(tǒng)電源的A、B、C相電壓間存在 120°角差，因此晶閘管開關(guān)的關(guān)斷存在先后順序。由于電容器的電壓與電流有90°的相位差，晶閘管開關(guān)應(yīng)在其電流過零點(diǎn)關(guān)斷時應(yīng)力最小，但此時對應(yīng)相的相電壓并不為零，而是電壓的峰值。圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差別與晶閘管開關(guān)的投切順序密切相關(guān)，對于A、C相控制電容器組的晶閘管開關(guān)來說，相當(dāng)于S1端電壓相位滯后S2端電壓相位120°，而A、B相控制電容器組的情況，卻為 S1端電壓相位領(lǐng)先S2端電壓相位120°。因此對于上述兩組投切結(jié)構(gòu)，如果調(diào)整S1、S2的投切順序，兩種結(jié)構(gòu)將完全一致。TSC型無功補(bǔ)償裝置在晶閘管切出時，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變化，當(dāng)其中一相晶閘管切除時，電容器組由角接方式變?yōu)閮芍浑娙萜鞔?lián)與另外一只電容器并聯(lián)的連接方式，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，另一相晶閘管切出時，其端電壓為線電壓峰值，在兩只晶閘管完全切除時，電容器將存在嚴(yán)重的過壓問題。

利用PSpcie軟件對上述兩種情況的電容器切除過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2、圖3所示，仿真結(jié)果表明，對于系統(tǒng)線電壓有效值U為400V的供電系統(tǒng)，兩組投切開關(guān)控制都會產(chǎn)生嚴(yán)重的過壓問題。當(dāng)晶閘管開關(guān) S1先切時，S1端電壓的偏移量為?207V，而S2端電壓的偏移量為566V，當(dāng)晶閘管開關(guān) S2先切時，S1端電壓的偏移量為?773V，而 S2端電壓的偏移量為?566V，晶閘管端電壓存在較大差異。在圖3中電容切除后，開關(guān)S1端電壓不存在過零點(diǎn)，而在圖2、圖3中的開關(guān)S2端電壓在每個周波內(nèi)都存在惟一電壓過零點(diǎn)。但由于通常系統(tǒng)電壓幅值會存在波動，當(dāng)系統(tǒng)電壓幅值由于波動小于電容器切除時的系統(tǒng)電壓幅值時，該惟一零點(diǎn)將不復(fù)存在。在晶閘管開關(guān)端電壓沒有過零點(diǎn)的系統(tǒng)，如果晶閘管不能打開，將給系統(tǒng)帶來嚴(yán)重后果。

傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路往往采用 MOC3083作為過零點(diǎn)檢測芯片，其特點(diǎn)是能準(zhǔn)確的判斷電壓的過零點(diǎn)從而發(fā)出正確的觸發(fā)信號，但對于上述分析的狀況，當(dāng)開關(guān)端電壓偏離零點(diǎn)時，傳統(tǒng)的過零電路檢測判斷已經(jīng)失去意義，并無法正常工作。因此在采用 MOC3083過零判斷的晶閘管開關(guān)在一些需要快速無功補(bǔ)償?shù)墓r中，由于系統(tǒng)電壓的波動而無法準(zhǔn)確將晶閘管觸發(fā)，導(dǎo)致兩路晶閘管無法可靠投入，裝置無功補(bǔ)償功能失效，不能正常觸發(fā)的晶閘管同時會導(dǎo)致相應(yīng)的電容器電壓不斷充電，電壓值不斷升高，嚴(yán)重影響電容器、晶閘管開關(guān)及其他一次設(shè)備的壽命及使用安全。

圖2 電容器角接的A、C相控制切出過程

圖3 電容器角接的A、B相控制切出過程

2 晶閘管端電壓采樣電路設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確獲取晶閘管的端電壓信號，本設(shè)計(jì)采用比例放大器進(jìn)行差分采樣，電路原理如圖4所示。圖中的ESD為靜電保護(hù)芯片，其內(nèi)阻遠(yuǎn)小于采樣電阻RS及反饋電阻RF，電阻R1與RF阻值相同。采樣信號來自晶閘管的K1、K2端，電壓分別記為VK1，VK2。根據(jù)運(yùn)放電路的工作原理，差分運(yùn)放的輸出電壓信號VSAM，滿足下式：

圖4 晶閘管端電壓的差分采樣原理圖

（1）式中VREF1為電壓參考信號，本例取直流2.5V，則VSAM為以2.5V為偏移量的晶閘管端電壓比例信號，通過調(diào)整電阻RS與RF的阻值，可得到幅度適合的采樣信號。VSAM經(jīng)過的窗口比較器與Vth?、Vth+比較即可捕獲VSAM信號經(jīng)過2.5V的時刻，即晶閘管的端電壓過零時刻。由于過零點(diǎn)采樣在2V位置，比2.5V位置提前，因此需要采用由R5與C1構(gòu)成的RC延時電路，通過R5對C1充放電，并將電容C1的電壓與參考電壓VREF比較，將過零信號VSYN延遲至接近 2.5V對應(yīng)的時刻。參考信號Vth?、Vth+具體幅值的選擇對觸發(fā)點(diǎn)時刻有直接影響。采樣電路的PSpice仿真結(jié)果如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5 檢測信號VSYN的PSpice仿真結(jié)果

3 晶閘管驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

晶閘管的驅(qū)動信號需要采取電氣隔離措施，目前常見的隔離方式有光耦隔離及變壓器隔離兩種。變壓器隔離具有速度快，隔離強(qiáng)度高等特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用變壓器對驅(qū)動信號進(jìn)行隔離。由于變壓器只能傳遞交流信號，因此需要將將過零點(diǎn)脈沖與高頻脈沖信號進(jìn)行疊加，使變壓器將控制信號傳遞至晶閘管控制端。高頻脈沖信號發(fā)生及其與觸發(fā)脈沖的疊加信號采用如圖6所示的電路處理，圖中U1A為斯密特觸發(fā)器，其與C1、R1構(gòu)成震蕩電路，產(chǎn)生高頻脈沖，U1C、U1D完成觸發(fā)脈沖與高頻信號的疊加，高頻信號的頻率需要與隔離變壓器的特性相匹配。圖6產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖信號經(jīng)過隔離放大電路（如圖7所示）送至晶閘管的控制端。圖7中U2完成信號放大，其 EN腳由外部輸入，表示是否需要在過零點(diǎn)打開晶閘管開關(guān)，U3為雙路MOSFET芯片，負(fù)責(zé)對隔離變壓器的驅(qū)動。U2芯片的 SEN端采樣MOSFET管的驅(qū)動電流，當(dāng)出現(xiàn)過流時進(jìn)行保護(hù)。由圖6可知SIG1、SIG2觸發(fā)信號內(nèi)包含的高頻脈沖相位相反，因此每個時刻，電源VS的僅對其中一路變壓器進(jìn)行驅(qū)動，采用驅(qū)動分時技術(shù)大大降低電路的功耗，減少M(fèi)OSFET的發(fā)熱，同時使U2對每路電流的檢測更為方便。

圖6 晶閘管驅(qū)動脈沖信號發(fā)生電路

圖7 晶閘管驅(qū)動脈沖信號隔離放大電路

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證硬件電路設(shè)計(jì)的正確性，對采用上述過流檢測及驅(qū)動電路應(yīng)用于角接的電容器負(fù)載的晶閘管開關(guān)控制。試驗(yàn)獲得SIG1、SIG2觸發(fā)信號如圖8所示，圖9為單個觸發(fā)信號的放大圖。本設(shè)計(jì)中采用的隔離電壓型號為VAC公司的T60403-D4097-X050脈沖變壓器。

圖8 晶閘管觸發(fā)脈沖試驗(yàn)波形

圖9 單個晶閘管觸發(fā)脈沖試驗(yàn)波形放大圖

晶閘管觸發(fā)時刻波形分別如圖10，圖11所示。其中圖10中，晶閘管端電壓每個周波存在兩個電壓過零點(diǎn)，在接受到觸發(fā)使能信號后，晶閘管在電壓過零點(diǎn)打開。圖11中，晶閘管端電壓偏移量恰好為系統(tǒng)線電壓峰值，在整個周波內(nèi)，端電壓的最小值位于零點(diǎn)位置，此時晶閘管可被安全觸發(fā)。圖10、11說明，采用本設(shè)計(jì)的晶閘管端電壓過零檢測及觸發(fā)電路能電容器角接 A、C相控制中，在每個周波內(nèi)可以安全、準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管，從而使TSC無功補(bǔ)償裝置的無功響應(yīng)時間在 20ms以內(nèi)。另外由于本電路支持晶閘管端電壓完全偏離零點(diǎn)的工況，因此在電容器角接的 A、B相控制中依然適用，但工程上為確保系統(tǒng)安全運(yùn)行，角接電容器的 A、B相控制在設(shè)計(jì)中應(yīng)用較少。

圖10 晶閘管觸發(fā)試驗(yàn)波形一

圖11 晶閘管觸發(fā)試驗(yàn)波形二

晶閘管觸發(fā)后的端電壓波形如圖12所示，圖示表明晶閘管導(dǎo)通后的管壓降，在晶閘管開關(guān)導(dǎo)通過程中，過零檢測電路的輸出由過零脈沖變?yōu)殡娖叫盘?，因此過零檢測電路僅在晶閘管開關(guān)在其斷開后第一次開啟起作用。采用本文設(shè)計(jì)的晶閘管端電壓過零檢測及觸發(fā)電路控制的晶閘管開關(guān)的電流波形，如圖13所示，在晶閘管開啟過程中沒有涌流出現(xiàn)，系統(tǒng)平穩(wěn)，不存在任何沖擊。而采用MOC3083的傳統(tǒng)晶閘管觸發(fā)電路替換本文設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，晶閘管開啟過沖中會存在較大的電流沖擊，波形如圖14所示。另外，由于圖14與圖13觸發(fā)控制信號寬度一致，晶閘管開關(guān)斷開后 120ms發(fā)出觸發(fā)信號，圖13中晶閘管在接收到控制信號的 10ms左右成功將晶閘管觸發(fā)，而圖14的試驗(yàn)波形表明在接收到控制信號的160ms左右才將晶閘管觸發(fā)，由此可見基于本設(shè)計(jì)的晶閘管觸發(fā)電路具有較高的可靠性。

圖12 晶閘管觸發(fā)后端電壓波形

圖13 晶閘管開關(guān)關(guān)斷、開啟過程的電流波形

圖14 MOC3083觸發(fā)晶閘管關(guān)斷、開啟過程電流波形

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的晶閘管過零點(diǎn)檢測及觸發(fā)電路在復(fù)雜工況下，能夠準(zhǔn)確、快速的將晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)過程不產(chǎn)生電流涌流，穩(wěn)定可靠，比傳統(tǒng)的晶閘管觸發(fā)電路性能有明顯提高。

5 結(jié)論

通過對TSC裝置中電容器角接方式下晶閘管開關(guān)工作特性的分析，列舉了晶閘管開關(guān)過程的各種工況，并采用Pspice仿真軟件設(shè)計(jì)出安全可靠的晶閘管端電壓過零檢測及觸發(fā)電路。Pspice仿真結(jié)果表明本文的設(shè)計(jì)具有良好的通用性，不僅在晶閘管端電壓存在過零情況下能夠安全、準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管，當(dāng)晶閘管端電壓偏離電壓零點(diǎn)時，依然能在晶閘管端電壓最小值時將其觸發(fā)，從而保證了系統(tǒng)的無功響應(yīng)時間，同時避免電容電壓的持續(xù)上升問題。試驗(yàn)結(jié)果表明該晶閘管端電壓過零檢測及觸發(fā)電路具有良好的電氣性能，晶閘管開關(guān)投切準(zhǔn)確、可靠，投切過程不產(chǎn)生電流涌流，相比于傳統(tǒng)的MOC3083晶閘管觸發(fā)電路，在單個周波內(nèi)完全能安全觸發(fā)晶閘管。基于該觸發(fā)電路設(shè)計(jì)的TSC無功補(bǔ)償裝置，能夠做到無功功率的周波響應(yīng)，同時能夠避免由于電壓波動而導(dǎo)致的晶閘管端電壓過零點(diǎn)消失的復(fù)雜工況，可應(yīng)用于中頻爐、電焊機(jī)等快速無功變換的環(huán)境，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，節(jié)約能源。本文晶閘管觸發(fā)電路，不僅可用于晶閘管開關(guān)，也可以用于復(fù)合開關(guān)等其他場合的晶閘管觸發(fā)，具有一定的工程價值。

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