新型獲取晶閘管電壓過零信號的電路 - 全文

　　前言

　　在快速無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TSC電路。執行元件晶閘管根據應用場合的不同，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，觸發電路也不同。TSC要求在晶閘管電壓過零點觸發，確定晶閘管電壓過零點的方法有兩種，一種是從電網電壓取得同步信號，一種是從晶閘管的陽極和陰極取得過零信號。

　　本文分析現存的各種觸發電路的特點，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，以該電路支撐產生一系列觸發電路，取得了優秀的觸發效果。

　　1 介紹晶閘管投切電容器的原理和快速過零觸發要求

　　晶閘管投切電容器組的關鍵技術是必須做到電流無沖擊。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，其值很大。式(2)的第三項給出當觸發角偏離最佳點時的振蕩電流的幅值;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導通投切電容器組，電容器預充電到峰值電壓。

　　觸發電路的功能是：電流無沖擊觸發;快速投切，20ms的動作。這個20ms不是得到投切命令到產生動作的時間，而是從停止到再投入動作的時間為20ms。快速反應時，在平衡補償電路，不能出現不平衡動作，即有的相有電流，有的沒有。

　　2 兩類晶閘管的觸發電路的特點和存在的問題

　　從同步信號的采集上，有兩類晶閘管觸發電路。一類為從電網電壓取得同步信號，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電路、脈沖變壓器隔離電路等。當得到觸發命令后，在投切點產生觸發脈沖列，經過脈沖變壓器的隔離，推動晶閘管。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。

　　從電網電壓取得同步信號的優點為在主回路沒有送電時，給觸發命令，可以測量晶閘管的觸發脈沖幅度和相位，在主回路得電后，給觸發命令，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，電網電壓取得同步信號觸發適合。缺點為電路復雜，對于400V小容量的TSC電路造價高。

　　圖二：電網電壓取得同步信號的觸發電路

　　從晶閘管兩端取得過零信號比較困難，過零觸發要求電壓高時截止，電壓最低低時導通觸發。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。不滿足要求。

　　目前，從晶閘管兩端取得過零信號的典型觸發電路是MOC3083，它的框圖如圖三：

　　圖三：MOC3083電路圖

　　MOC3083芯片內部有過零觸發判斷電路，它是為220V電網電壓設計的，芯片的雙向可控硅耐壓800V，在4、6兩端電壓低于12V時如果有輸入觸發電流，內部的雙向可控硅就導通。

　　用在380V電網的TSC電路上要串聯幾只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對晶閘管開關控制3相電路，電路簡單了，控制機理復雜了。這種觸發電路隨機給觸發命令要出現下面的許多麻煩問題。

　　快速動作時，有觸發命令，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，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電壓調低。晶閘管導通時兩端電壓為零，不導通，晶閘管有電容器的直流電壓和電網的交流電壓。測量C相停止時峰峰值電壓為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零點，串聯的MOC3083由于分壓不均勻，使得3083有的導通有的停止。電網電壓升高時，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。

　　* 在初次投切時有一定的沖擊。下面是國外著名產品的首次投切的電流波形。

　　圖六：國外公司產品的第一次觸發沖擊波形

　　記錄C相晶閘管兩端電壓，A相電流。電流投切沖擊很大，使得電網電壓都產生了變形。

　　*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，晶閘管工作不正常，存在停止工作的情況。

　　*電網電壓高于400V電路設計困難。

　　3 新型的晶閘管兩端采集過零信號的電路，由此產生一系列觸發電路。

　　觸發器的功能與電路結構有關。有電路結構分，有D觸發器，JK觸發器;D觸發器又有傳輸門控型，維持阻塞型兩種。豈外，還有其他T觸發器，SR觸發器，D觸發器，和JK觸發器可以轉換成其他功能的觸發器。對于不同結構的觸發器，其觸發條件何方式是不一樣的，但我們應該記住一點的是，出發方式就兩種，一種是脈沖電平觸發方式，一種是脈沖邊沿觸發方式。

　　脈沖電平觸發方式：指觸發器的狀態在脈沖信號的的高電平期間改變觸發器的狀態。注意這里的高電平期間，指出了觸發器的狀態在脈沖的高電平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。脈沖邊沿觸發方式：又分為兩種，一種是脈沖邊沿的上升沿，觸發器的狀態發生改變，比如D觸發器;一種是脈沖邊沿的下降沿觸發器的狀態發生改變，比如JIK觸發器。

　　在主回路中設計過零觸發電路實屬不易，查閱文獻有采用基于霍爾原理工作的LEM模塊采集過零信號的，其過零觸發的原理框圖見圖七，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晶閘管的方法，開發一種新型的電路，特點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晶閘管。其電路框圖如圖九。

　　圖七 TSC過零觸發的原理框圖

　　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動電路框圖

　　400V電網電壓多數采用模塊晶閘管，可以采用光電驅動晶閘管如圖九。660V電網電壓，電網電壓高，需要采用脈沖變壓器驅動。如圖十。

　　圖十：過零采集控制邏輯脈沖變壓器驅動電路框圖

　　中壓TSC，根據絕緣要求需要采用脈沖磁環觸發。圖十一。

　　圖十一中壓TSC采用脈沖磁環觸發

　　采用新觸發電路，應用單片機做邏輯時間控制觸發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，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，可以認為不影響晶閘管和電容器的使用。投切停止后，電容器上有電網峰值電壓，晶閘管在電網電壓和電容器直流電壓的合成下，存在著過零電壓，在過零點觸發晶閘管是理想狀態，應該沒有沖擊電流。

　　新觸發電路達到了快速20ms動作，兩路晶閘管都動作，無電流沖擊，晶閘管在停止時的承受電壓低，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投入，又可以看出投入時的電流沖擊。圖十二為：連續投切的A相晶閘管電壓和C相電流的動作波形。