陳杏燦，程漢湘, 彭湃

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州510006)

智能型TSC的晶閘管可靠觸發(fā)的分析與研究

陳杏燦，程漢湘, 彭湃

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州510006)

摘要：針對低壓無功補償?shù)恼{(diào)節(jié)器中MOC 3083型雙向晶閘管驅(qū)動器來觸發(fā)晶閘管容易誤動與驅(qū)動電路容易損壞等缺點，以單片機為控制核心，充分利用光耦合器的特性，改用電磁驅(qū)動的方式驅(qū)動晶閘管，對晶閘管的過零檢測電路與晶閘管的驅(qū)動電路進(jìn)行重新設(shè)計，并進(jìn)行相關(guān)實驗，所得結(jié)果表明，該改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器能夠準(zhǔn)確地檢測晶閘管兩端的過零信號，并且能準(zhǔn)確在過零點投入電容器，具有沖擊涌流小的優(yōu)點。改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器運行可靠性高，性能穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：無功補償；MOC 3083型雙向晶閘管驅(qū)動器；單片機

隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，人民生活水平逐漸提高，大量用電客戶在用電高峰期出現(xiàn)端電壓偏低、部分家用電器無法正常啟動、嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致過負(fù)荷跳閘斷電的現(xiàn)象[1]。安全、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的電力系統(tǒng)一直是全社會追求的目標(biāo)，合理的無功分布可以在節(jié)約能源、提高電能質(zhì)量乃至整個系統(tǒng)穩(wěn)定性方面都有著非常重要的作用[2-3]。無功補償裝置可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，減少輸電線路以及變壓器的能量損耗，提高變壓器和輸電線路的能量傳輸率，在穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的同時，還可以提高供電質(zhì)量[4]。隨著全社會自動化水平的不斷提高，電力設(shè)備對電能質(zhì)量也提出越來越高的要求，無功補償具有改善電網(wǎng)的功率因數(shù)及提高電能質(zhì)量等優(yōu)點，己成為電力行業(yè)密切關(guān)注的問題[5]。無功補償容量過大將造成資源浪費，無功補償容量過小會導(dǎo)致系統(tǒng)的功率因數(shù)降低[6]。因此，為了提高電網(wǎng)的運行效率和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量和降低系統(tǒng)能耗等，無功補償將是不可缺少的重要技術(shù)[7]。市場激烈競爭中，許多廠家為了節(jié)約成本，對低壓無功補償調(diào)節(jié)器的設(shè)計仍然采用簡單的光耦MOC 3083型觸發(fā)晶閘管，但這類調(diào)節(jié)器在使用中經(jīng)常出現(xiàn)誤動、驅(qū)動裝置損壞，甚至造成電容器爆炸，嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)的供電可靠性，制約了低壓無功補償?shù)陌l(fā)展。因此，研究晶閘管投切電容器(thyristour switched capacitor, TSC)晶閘管的可靠觸發(fā)，改進(jìn)不足，設(shè)計新型可靠的調(diào)節(jié)器，對促進(jìn)低壓無功補償具有重要意義。

1調(diào)節(jié)器中晶閘管觸發(fā)的可靠性分析

調(diào)節(jié)器作為投切電容器的執(zhí)行機構(gòu)，是整套TSC無功補償?shù)暮诵?。?dāng)其兩端電壓變化率為零投入時，沖擊涌流為零。因此，電容器投入過程中，最重要的就是過零投切。目前，低壓無功補償調(diào)節(jié)器仍然普遍使用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。

VD1、VD2分別是二極管。圖1　晶閘管驅(qū)動電路

圖1中，主要包括2個限流電阻R1和R2，2個串聯(lián)使用的MOC 3083型雙向晶閘管驅(qū)動器(以下簡稱“MOC 3083”)，2個均壓電阻R3和R4，電阻-電容器吸收電路與2個反向并聯(lián)的單相晶閘管(VT1、VT2)。MOC 3083的輸入與輸出通過光電隔離，其內(nèi)部已經(jīng)集成了過零檢測電路，一般情況下能正常過零投入電容器。在400 V交流系統(tǒng)中，需通過串聯(lián)多個MOC 3083來解決單個器件耐壓水平不足的現(xiàn)象，使用時需要在每個MOC 3083中并聯(lián)均壓電阻，保證MOC 3083在阻斷狀態(tài)能實現(xiàn)電壓均衡。由文獻(xiàn)[8]可知，在正常情況下，MOC 3083能夠準(zhǔn)確在過零點觸發(fā)晶閘管投入電容器，但在實際配電網(wǎng)中，電網(wǎng)諧波非常復(fù)雜不定，特別在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重畸變、du/dt增大時，MOC 3083容易受到干擾，發(fā)生誤動，導(dǎo)致電容器可能不在過零點投入電網(wǎng)，造成沖擊涌流過大，容易損壞晶閘管與電容器。因此，取消采用MOC 3083，對晶閘管的驅(qū)動電路進(jìn)行修改，提高晶閘管的可靠觸發(fā)，利于提高TSC無功補償運行的可靠性。

2智能型TSC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能型TSC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

QF—斷路器，circuit breaker的縮寫。圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖2可看到，智能型TSC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要包括主控制芯片、三相電壓電流的采樣模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、與個人計算機通信的模塊、時鐘電路及鍵盤與顯示。每個電容器組均由單獨1個調(diào)節(jié)器控制，該調(diào)節(jié)器內(nèi)部主要包括單片機控制芯片、過零檢測電路與晶閘管驅(qū)動電路。整套控制系統(tǒng)的工作原理：通過控制器采集電網(wǎng)的三相交流電壓和電流，由控制器計算出電壓和電流的有效值、有功功率與無功功率、功率因數(shù)等參數(shù)，根據(jù)控制策略判斷此時電網(wǎng)是否需要補償無功功率，如果需要進(jìn)行無功補償，則控制器通過輸入、輸出口選中相應(yīng)的調(diào)節(jié)器，由調(diào)節(jié)器負(fù)責(zé)電容器的投切。調(diào)節(jié)器收到投入電容器命令后，需要通過過零檢測電路檢測晶閘管的過零信號，當(dāng)單片機檢測到晶閘管的過零信號時，單片機輸出驅(qū)動信號觸發(fā)晶閘管投入電網(wǎng)，完成電容器的投入過程；當(dāng)調(diào)節(jié)器收到切除電容器命令時，只需去掉晶閘管的驅(qū)動信號，晶閘管在承受電網(wǎng)反壓時候?qū)⒆匀魂P(guān)斷，完成電容器的切除。

2.1調(diào)節(jié)器中晶閘管可靠觸發(fā)的改進(jìn)方案

針對MOC 3083的缺點，提出了新的改進(jìn)方案，如圖3所示。

圖3　改進(jìn)的調(diào)節(jié)器方案

圖3中，接地網(wǎng)端的U、V、W相接在電網(wǎng)側(cè)，接電容器端的U、V、W相接在電容器側(cè)。新方案不再使用MOC 3083作為晶閘管的驅(qū)動器件，而是重新設(shè)計過零檢測電路與晶閘管的驅(qū)動電路，采用單片機控制方式來實現(xiàn)晶閘管的可靠觸發(fā)。當(dāng)總控制器進(jìn)行電壓、電流采樣與數(shù)據(jù)處理時，各組調(diào)節(jié)器均處于待命狀態(tài)；當(dāng)收到由總控制器發(fā)來的投入電容信號時，調(diào)節(jié)器的單片機此時等待過零電路的過零信號，在單片機收到過零信號后，通過晶閘管驅(qū)動電路觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，實現(xiàn)過零投切。

2.2過零檢測電路

電容電壓不能發(fā)生突變，當(dāng)電容器電壓和電網(wǎng)電壓差較大時，會產(chǎn)生較大的沖擊電流。根據(jù)《廣東電網(wǎng)公司低壓無功補償裝置技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，沖擊涌流應(yīng)限制在電容器額定電流的2倍以內(nèi)，為使電容器投入時不引起較大的涌流，必須選準(zhǔn)晶閘管觸發(fā)的理想時刻，即保證晶閘管導(dǎo)通時電網(wǎng)電壓與電容器電壓大小相等、極性一致[9]。因此，實現(xiàn)過零投切就需要改進(jìn)過零檢測電路，如圖4所示。

圖4　過零檢測電路

圖4中，過零檢測電路接在晶閘管兩端，接電網(wǎng)端在網(wǎng)側(cè)，接電容端在電容器側(cè)，R1和R2為限流電阻，VD3和VD4主要起到鉗位的作用，電容器C2和C3的兩端電壓不超過6.8 V。主要工作過程：接電網(wǎng)與結(jié)電容器兩端為交流正弦波，在正半波時，電流經(jīng)二極管VD2向電容器C3充電，使電容極性為上正下負(fù)，可將C3看成PNP三極管Q3、Q4的電源，等到正半波過零，觸發(fā)三極管Q3、Q4導(dǎo)通，繼而觸發(fā)光耦合器P2導(dǎo)通，將輸出電壓拉低；同理，在負(fù)半波時，當(dāng)電壓過零時，光耦合器P1導(dǎo)通，將輸出電壓拉低。由此，光耦合器P2負(fù)責(zé)檢測正向過零點，光耦合器P1負(fù)責(zé)檢測負(fù)向過零點，在輸出端端檢測到低電平時就是接電網(wǎng)與接電網(wǎng)兩端過零點。

2.3晶閘管的驅(qū)動電路

圖5所示為U相晶閘管的驅(qū)動電路，采用脈沖變壓器來觸發(fā)雙向晶閘管，當(dāng)單片機檢測到控制器發(fā)出的投切命令，且捕捉到U相過零信號后，就由單片機發(fā)出觸發(fā)信號，通過控制3個三級管的通斷來改變變壓器的的極性，達(dá)到驅(qū)動晶閘管的目的。圖5中，接電網(wǎng)端連接到U相母線，接電容器端連接到電容器的U相。

圖5　晶閘管驅(qū)動電路

工作過程：當(dāng)輸入端為低電平時，三極管Q2和Q3截止，Q1導(dǎo)通，電流方向為圖5中箭頭所指實線，電源通過Q1向電容器C1和C2充電，電流從脈沖變壓器自上而下流動，此時VD1導(dǎo)通驅(qū)動左邊晶閘管；當(dāng)輸入端為高電平時，三極管Q1和Q3導(dǎo)通，Q1截止，電流方向為圖5中箭頭所指虛線， C1和C2放電，電流從脈沖變壓器自下而上流動，此時VD2導(dǎo)通驅(qū)動右邊晶閘管，如此通過C1和C2的充放電方式間接驅(qū)動晶閘管。

3實驗波形與分析

為驗證上述晶閘管過零電路與晶閘管驅(qū)動電路的可行性，通過數(shù)字示波器，測試過零檢測電路的準(zhǔn)確性以及測試電容器在投入時的沖擊電流。圖6記錄了過零檢測信號與過零投入電容時的各種波形。

圖6　實驗波形

圖6(a)中，過零電路可準(zhǔn)確檢測晶閘管兩端電壓的過零信號。當(dāng)電壓差過零時輸出低脈沖時，過零檢測電路的準(zhǔn)確性良好，此外，從電容器的電流波形還可以看出，當(dāng)晶閘管兩端電壓差接近零時投入電容，基本沒有出現(xiàn)沖擊涌流；圖6(b)中，當(dāng)電容器兩端電壓與線電壓大小相等，方向相同時，即晶閘管電壓為零時投入電容器，電容電流的沖擊涌流不大，如果能實現(xiàn)極準(zhǔn)確的過零投入，沖擊涌流為零，現(xiàn)實了因元器件參數(shù)的特性以及單片機指令周期的限制，電容器無法實現(xiàn)真正的過零，只是在允許的范圍內(nèi)，將沖擊涌流控制最小。

4結(jié)束語

隨著低壓無功補償裝置的普遍應(yīng)用，配電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，傳輸線損耗降低，但因大量使用簡單的MOC 3083型調(diào)節(jié)器，在復(fù)雜的配電網(wǎng)中無法正常、可靠地工作。因此，本文設(shè)計了過零檢測電路和晶閘管驅(qū)動電路來取代可靠性不高的MOC 3083，充分發(fā)揮了光耦的特性，巧妙改進(jìn)晶閘管觸發(fā)電路。改進(jìn)后的調(diào)節(jié)器的優(yōu)點:準(zhǔn)確捕捉晶閘管兩端的過零點；可靠觸發(fā)晶閘管；使用單片機控制，更具智能化。對低壓無功補償調(diào)節(jié)器的晶閘管觸發(fā)電路的改進(jìn)，解決了目前調(diào)節(jié)器中晶閘管觸發(fā)的可靠性問題，提高低壓無功補償運行的可靠性。

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Analysis and Research on Reliable Trigger of Intelligent TSC Thyristor

CHEN Xingcan, CHENG Hanxiang，PENG Pai

(Faculty of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：In allusion to problems that it is easy to cause malfunction by using MOC 3083 bidirectional thyristor driver of low-voltage reactive power compensation regulator for triggering the thyristor and drive circuit is easy to be damaged, this paper introduces redesign on zero cross detection circuit and drive circuit of the thyristor by centering on the singlechip, fully making use of characteristic of optical coupler and using solenoid drive for driving the thyristor instead. Relevant experimental results indicate that the improved regulator which has small inrush currentcould correctly detect zero crosssignals at both sides of the thyristor and put the capacitor into zero cross point. The improved regulator has high operation reliability and stable performance.

Key words：reactive power compensation; MOC 3083 bidirectional thyristor driver; singlechip

收稿日期：2015-10-15修回日期：2016-02-04

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.05.015

中圖分類號：TM714.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-290X(2016)05-0082-04

作者簡介：

陳杏燦(1990)，廣東汕頭人。在讀碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

程漢湘(1957) ，男，湖北武漢人。教授，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化及電力電子技術(shù)。

彭湃(1989)，湖北天門人。在讀碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)自動化。

(編輯王夏慧)