(天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院,天津 300387)

濾波裝置中晶閘管移相觸發(fā)電路的設計

魏翔宇,師五喜

(天津工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院,天津 300387)

針對濾波補償裝置中要求電容器投切速度快，無沖擊電流、電壓的問題，設計了一種基于晶閘管移相觸發(fā)的電路。該電路實現(xiàn)了快速無沖擊投切，設計簡單，能很好地解決過零觸發(fā)電路經(jīng)常遇到的過零檢測混亂而導致的誤觸發(fā)，以及觸發(fā)需等待電容器放電，有一定延遲的問題。通過現(xiàn)場實驗測試分析說明，此移相觸發(fā)電路的良好實用性。

濾波補償裝置；移相觸發(fā)；三相同步信號；FACTS

0 引言

從20世紀80年代開始，電力電子技術的應用已經(jīng)逐漸擴展到發(fā)電、輸配電和負載用電等整個電力系統(tǒng)。電力電子技術已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)柔性化和智能化水平繼續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)全系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制安全、經(jīng)濟、高效、優(yōu)質運行的基礎技術。電力系統(tǒng)中通過改變電力電子開關器件的通、斷狀態(tài)，控制開關電路輸出的電壓、電流、功率等，從而精確地調(diào)控電力系統(tǒng)的運行參數(shù)和運行工況，滿足系統(tǒng)運行要求。

FACTS[1]是指柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible AC Transmission Systems)，是應用于交流輸電系統(tǒng)的電力電子控制裝置。這些控制裝置對選定的一些輸電線路既可以進行有功功率控制，也可以進行無功功率控制。因為晶閘管技術已經(jīng)很成熟，目前使用的大多數(shù)FACTS控制裝置是基于晶閘管設計的。晶閘管投切濾波補償裝置[2,3]具有響應速度快、無沖擊電流和過電壓、無觸點、使用壽命長等優(yōu)點，得倒廣泛應用。本文設計的晶閘管移相觸發(fā)電路[4]，在控制晶閘管投切電容器時精確度高，無需等電容器放電，設計簡單，降低了濾波補償裝置的生產(chǎn)成本。

1 主要芯片介紹

移相觸發(fā)電路的設計是以相位控制電路集成芯片TC787[5]為核心元件。TC787是采用先進IC工藝設計制作的單片集成電路，可單電源工作，也可雙電源工作。其輸出為調(diào)制脈沖系列，適用于三相可控硅移相觸發(fā)電路，具有體積小，功耗小，集成度高，強抗干擾性，移相范圍廣，外接元件少等優(yōu)點。如圖1所示。

圖1 TC787硬件結構Fig.1 TC787 Hardware structure

TC787內(nèi)部集成電路由以下幾部分構成：同步過零和極性檢測電路、鋸齒波形成和比較電路、抗干擾鎖定電路

和脈沖形成電路。其工作原理是三相同步電壓經(jīng)由阻容T型網(wǎng)絡進入集成電路，通過過零檢測和極性判別電路檢測出零點和極性后，在Ca、Cb、Cc3個電容上積分形成線性良好的鋸齒波。該波形在比較器中與移相電壓比較得到交相點。交相點經(jīng)過抗干擾電路后送給脈沖發(fā)生器，得到調(diào)制脈沖。

2 移相觸發(fā)電路的設計

針對二極管與晶閘管反并聯(lián)方式[6]投切濾波補償裝置，設計晶閘管移相觸發(fā)電路。觸發(fā)電路一個支路只負責一個晶閘管導通，其觸發(fā)時刻是定相位的，即觸發(fā)相角為系統(tǒng)電壓正弦波形90°時，使觸發(fā)板產(chǎn)生觸發(fā)信號，導通晶閘管。

電路的硬件設計包括控制器投切命令電路，90°定相位檢測電路，同步變壓器隔離電路和脈沖隔離放大電路組成，如圖2所示。

圖2 模塊框圖Fig.2 Module block diagram

2.1TC787工作電路設計

設計的移相觸發(fā)電路采用單電源工作方式，即TC787芯片引腳3（Vss端）接地，引腳17(Vdd)接15V電源，如圖3所示。

圖3 TC787接線原理圖Fig.3 TC787 Wiring principle diagram

為方便讀者了解濾波補償裝置中移相觸發(fā)電路板接入濾波電路的連線方式，將濾波支路一次側接線原理圖一并畫出。其中電容器串聯(lián)電抗器之后角接部分為一次側接線原理。

采用定相位實現(xiàn)電壓峰值觸發(fā)，需要檢測系統(tǒng)同步電壓信號。因此，觸發(fā)板應需同步變壓器用于隔離降壓。同步電壓信號是經(jīng)變壓器隔離作用后，將三相輸出的弱電經(jīng)過濾波之后，送給TC787的A、B、C三相同步電壓輸入引腳，用來做移相觸發(fā)脈沖的基準電壓。電路中的C11~C13和R22~R23構成阻容濾波電路，濾去同步電壓中的毛刺環(huán)節(jié)。本設計采用的是三相△/Y 同步隔離變壓器SPT-C93130-08 ，其輸入端是系統(tǒng)供電三相電壓，輸出端是基于中性點的同步電壓UAB，UBC和UCA線電壓。

控制器投切信號是當需要投切濾波補償裝置時，給TC787芯片控制引腳Pi(輸出脈沖禁止端)一個控制信號。輸入的投切信號正常，則該引腳禁止端無效，芯片內(nèi)部發(fā)生一系列邏輯電路動作，輸出需要的脈沖系列。反之，如果投切信號沒有或者不正常，則該引腳有效，芯片內(nèi)封鎖脈沖，確保輸出引腳端無脈沖系列發(fā)生，保持低電平狀態(tài)。

移相控制電壓信號是通過調(diào)節(jié)電位器阻值來獲取。該信號送給TC787芯片的Vr引腳(移相控制電壓輸入端)，其移相電壓的幅值高低直接決定了輸出脈沖的移相角度。對于調(diào)制脈沖的寬度，可由芯片13引腳控制，通過調(diào)節(jié)連接該引腳的電容CX值的大小，決定其寬度。電容的容量越大，則脈沖越寬。設計的電路發(fā)出的觸發(fā)脈沖寬度有100μS。

2.2脈沖隔離電路設計

脈沖隔離電路是將幅值、相位正好的觸發(fā)脈沖連接到晶閘管。TC787發(fā)出的A、B、C三相脈沖串通過光電耦合器進行隔離，經(jīng)三極管放大后，得到+24V的尖峰脈沖信號，將該脈沖送給脈沖隔離變壓器KMB518原邊。該變壓器符合TC787的脈沖串輸出，經(jīng)變壓器隔離后，副邊得到幅值較低的持續(xù)脈沖串。該脈沖串再經(jīng)阻容電路的濾波后，供給晶閘管的K極和G極，用以觸發(fā)晶閘管，如圖4所示。

圖4 脈沖隔離、放大電路圖Fig.4 Pulse isolation, amplification circuit diagram

3 實驗測試分析

現(xiàn)有一套系統(tǒng)電壓為400V的TSF[7]濾波補償柜，該裝置內(nèi)部電容器與電抗器用于濾除5次諧波，并且以二極管與晶閘管反并聯(lián)的方式控制濾波支路的投、切。

為了驗證移相觸發(fā)方式投切濾波補償裝置的可靠性，現(xiàn)將觸發(fā)電路板安裝在該濾波補償柜中，用來觸發(fā)二極管和晶閘管反并聯(lián)裝置。TSF濾波補償控制柜內(nèi)電容器為三角形連接方式，電抗器與電容器串聯(lián)于角內(nèi)，濾波支路中電力電容器大小為314μS，電抗器大小為1.432mH。濾波補償柜內(nèi)配有220V電源供電的補償控制器，當給控制器一個投切命令后，控制器輸出12V電壓信號，該電壓信號經(jīng)光耦隔離后即產(chǎn)生投切信號。

1）電路移相測試結果

實際中要求觸發(fā)在供電電壓正半周期的峰值時刻，因供電電源經(jīng)過三相同步變壓器隔離后接入觸發(fā)電路，而且三相電源是星接接線方式，同步變壓器是△/Y 接線方式，二次側滯后一次側30°，推算出觸發(fā)電路板的移相角度應該是60°。電路中，設置TC787工作在半控單脈沖模式，調(diào)節(jié)電位器阻值R，使TC787的三路輸出脈沖分別對應A、B、C三相電壓的一個周波的3.33ms(即一個周期的60°)處。

用示波器觀察移相觸發(fā)脈沖，將示波器的一通道(屏幕顯示黃色的波形)采集輸入到三相同步電源變壓器的A相波形；二通道(屏幕顯示藍色的波形)采集TC787的某一路輸出的脈沖波形，如圖5所示。

圖5 示波器顯示脈沖波形Fig.5 The oscilloscope display pulse waveform

2）快速無沖擊投切測試結果分析

確定了電位器阻值之后，將電路板接入濾波補償柜中。用萬用表仔細檢查柜內(nèi)二次側連線情況，檢查交流電源線、直流控制信號線之間以及各觸發(fā)脈沖輸出線之間是否短路，確保接線正確無誤后，一次側通電，閉合斷路器，手動控制器發(fā)出投切命令。此時，濾波支路處于帶電工作狀態(tài)。使用電能質量測試儀FLUKE434觀察濾波支路A相的電流情況，可知電流波形正常，無沖擊電流先現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 A相電流測試圖Fig.6 A Phase current test pattern

設置控制器投入、切除延遲時間為5s(250個時間單位)。濾波裝置投入連續(xù)運行后，通過示波器觀察支路上的電壓波形變化情況，記錄濾波支路投入和切除的時間間隔，由表1可知觸發(fā)電路響應速度快，投切延遲時間短，表1。

表1 投切響應實驗結果Table 1 For response to the experimental results

由測量儀器顯示結果圖6和表1可知，在移相觸發(fā)方式投切的補償裝置中，濾波支路的電壓、電流波形基本符合工業(yè)生產(chǎn)要求，無沖擊涌流，無諧波，正弦波形正常，實現(xiàn)了快速投切，達到了設計電路要求的目標。

4 結束語

基于移相觸發(fā)電路的二極管和晶閘管反并聯(lián)控制開關，實際應用于投切電容器濾波補償裝置，具有良好的實用效果，速度快，真正實現(xiàn)了20ms內(nèi)投切濾波裝置，無沖擊電流，設計簡單，生產(chǎn)成本低，可廣泛用于動態(tài)無功補償和濾波裝置中。

[1]張文亮,湯廣福,查鯤鵬,等．先進電力電子技術在智能電網(wǎng)中的應用[J]．中國電機工程學報,2010(4)．

[2]盧中友．一種晶閘管投切的無功補償電路設計[J]．電氣技術,2013(06),106-110．

[3]鞏慶．晶閘管投切電容器動態(tài)無功補償裝置[J]．電網(wǎng)技術,2007(82)．

[4]江智軍,趙江球,伍怡興．一種改進的晶閘管觸發(fā)電路研究[J]．通信電源技術,2009,26 (4)：14-16．

[5]蘇茂盛．雙向晶閘管模塊在動態(tài)無功補償中的應用[J]．機電技術,2009(3)：43-45．

[6]吳堅,張茂青,胡慶何,等．基于專用芯片TC787的三相六脈晶閘管觸發(fā)板的研制[J]．電子工程師,2003(05)：44-46．

[7]王忠清,楊建寧．談晶閘管投切電容器TSC的觸發(fā)電路[J]．電力電容器,2007,28(4)：30-36．

Design of SCR Phasing Trigger Circuit in Filter Equipment

Wei Xiangyu,Shi Wuxi
（School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China）

For the problems in filter compensation device of capacitor switching speed, no impact current and overvoltage, the paper designs a circuit based on thyristor phasing trigger. The circuit have achieved fast switched and simply designed. It can solve chaos trigger,when the zero trigger circuit often encounter errors due to the zero crossing detection,and those delays when trigger the capacitor discharge .Through the field experiment test and analysis, illustrates that good practicability of phase shift trigger circuit.

filter;phasing trigger;three-phase synchronous signal;FACTS

TM461.4

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.006

2014-4-10

魏翔宇，男，在讀碩士研究生，研究方向：自動化控制工程。