谈晶闸管投切电容器TSC的触发电路_王忠清
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从电网电压取同步信号的优点为在主回路送
图 2 从电网电压取得同步信号的触发电路
电前, 给触发命令, 可以测量晶闸管的触发脉冲幅 度和相位, 在主回路得电后, 给触发命令, 可以确 认 TSC为正确投入工作。对于 TSC 电路中的两 只晶闸管 + 一只二极管的 / 2 + 10电路、两只晶闸 管 + 两只二极管的 / 2+ 20电路、三只晶闸管 + 三 只二极管的 / 3 + 30电路 [ 1] , 电容器有二 极管预 充电, 电容器上一直存在直流电压, 晶闸管的交
# 31#
第 28卷 第 4期 2007年 8月
电力电容器 Powe r Capac itor
触发要求电压高时截止, 电压最低时导通。几乎 找不出什么元件有这种特性。
目前, 从晶闸管两端取得过零信号的典型触 发电路是 MOC3083, 它的框图如图 3。
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
电力电容器 Powe r Capac itor
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
在初次投切时有一定的冲击, 下面是国外著 名产品的首次投切的电流波形图。
图 6记录了 C相晶闸管两端 电压和 A 相电 流。电流投切冲击很大, 使得电网电压都产生了 变形。
不能用于快速的冲击负载。最快几百毫秒, 原因是晶闸管在刚刚停止时两端电压不为零, 要
在快速无功补偿和谐波滤波装置中, 要用晶 闸管投切电容器 TSC, 本文 [ 1] 分析了三种 TSC 的 主电路。执行元件晶闸管根据应用场合的不同, 有饼式的、模块的和双向可控硅的不同结构型式。 针对不同的主回路和不同的晶闸管型式, 触发电 路也不同。 TSC要求在晶闸管电压过零点触发, 确定晶闸管电压过零点的方法有两种, 一种是从 电网电压取得同步信号, 另一种是从晶闸管的阳 极和阴极取得过零信号。
在正弦波电源电压的正或负峰值点触发;
º: 式 ( 2 ) 中 的 第 二 项 为 零 Uco =
n2
#
Um n2 -
# 1
s
inA,
即电容器必须预充电到
n2 # n2 -
Um, 1
当
电路的谐振次数 n为 2、3时, 其值很大。
式 ( 2)的第三项给出当触发角偏离最佳点时
的振荡电流的幅值; 式 ( 2)中的第二项给出当 Uco
Th e T r igger C ircu it for Thyr istor Sw itched Capa citor ( TSC ) WANG Zhong2q ing1, YANG Jian2n ing2
( 1. X ingcheng Special S teel Co. , Ltd. , Jiang Y in 214432; 2. P roduction Departmen,t Be ijing A ritim e Inte lligent Control Co. , Ltd. , Beijing 100070, China) Abstr act: This article introduces the principle of the thyristor sw itched capacitor and the requiremen t for a fast zero trigger. The characteristics and the existed problems of two types of trigger circuits for thyristor were ana lyzed. A c ircu it frame d iagram for a new ly designed mechan ism of acqu iring the ze2 ro thyr istor voltage signa l from the thyristor in the ma in closed circu it is plotted. Based on th is cir2 cu i,t a series of trigger circu its were generated and exce llent trigger effects were achieved. K eyw ord s: Thyristor Sw itched Capacitor ( TSC); Trigger circuit
本文分析现存的各种触发电路的特点, 由此 推出一种新型的从主回路晶闸管上获取晶闸管电 压过零信号的电路, 以该电路为支撑产生了一系 列触发电路, 取得了很好的触发效果。 1 晶闸管投切电容器的原理和快速过零触发 要求
* 收稿日期: 2007204210
# 30#
晶闸管投切电容器组的关键技术是必须做到 投切时无电流冲击。晶闸管投切电容器组的原理 如图 1所示。
iacm
=
Um # n2 Xc( n2 - 1)
Uco ) 电容器的初始直流电压;
X) 基波角频率。
由式 ( 2)可知, 电流 i( t)由三项组成, 第一项
为稳态电流, 电流超前电压 90b, 为使 TSC投切电
容器组电流无冲击, 必须满足两个条件: ¹: 式 ( 2)的第三项 cos( Xn t) = 0, 即晶闸管
图 10 过零采集控制逻辑脉冲变压器驱动电路框图 中压 TSC, 根据绝缘要求需要采用脉冲磁环
触发, 见图 11。
3. 2 新触发电路, 在单片机作逻辑时间控制触发 的 2控 3电路中的应用。
由于第一次投切电容器没有直流电压, 是不理 想的状态, 必然有一定的冲击, 当冲击电流与正常 稳定电流之比 [ 1. 7倍时, 可以认为不影响晶闸管 和电容器的使用。投切停止后, 电容器上有电网峰 值电压, 晶闸管在电网电压和电容器直流电压的合 成作用下过零点触发, 应该没有冲击电流。
图 4 2控 3的 TSC电路
用 2对晶闸管开关控制 3相电路, 电路简单 了, 控制机理复杂了。这种触发电路随机给触发 命令要出现下面的许多麻烦问题。
快速动作时, 有触发命令, 一对晶闸管导通另 一对晶闸管不通电压反而升高了, 限于篇幅和重 点, 本文不分析为什么电压反而高了, 只是测量 2控 3电路确实看到了存在电压升高的现象, 这 种现象如同倍压整流电路直流电压升高一样。图 5 表 示不 正常工 作的 两 对晶 闸 管 的电 压 波 形。 试 验时晶闸管存在高压击穿的可能, 所以用调压器 将电压调低。晶闸管导通时两端电压为零, 不导 通时晶闸管承受电容器的直流电压和电网的交流
从同步信号的采集上, 有两类晶闸管触发电 路。一类为从电网电压取得同步信号, 一类为从 晶闸管两端取得同步信号。
从电网电压取得同步信号的电路框图如图 2 所示。
该电路包括同步变压器、同步信号处理电路 和功率驱动电路、脉冲变压器隔离电路等。当得 到触发命令后, 在投切点产生触发脉冲列, 经过脉 冲变压器隔离, 推动晶闸管。同步信号处理电路 有滤波处理功能, 可以由 CMOS等电子电路组成, 也可以是单片机、GAL电路等。电路中包括相序 错判断功能。
图 8 晶闸管过零电压检测电路原理图
图 9 过零采集控制逻辑光电驱动电路框图 # 33#
第 28卷 第 4期 2007年 8月
电力电容器 Powe r Capac itor
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
400V电网电压多数采用模块晶闸管, 可以采 用光电驱动晶闸管如图 9 所示。电压 \ 660V 的 电网, 需要采用脉冲变压器驱动, 如图 10。
# 32#
是采用模块式的晶闸管, 模块的耐压不高, 常规为 1800V, 升高的管压很容易击穿晶闸管。
在晶闸管电压波形过零点, 串联的 MOC3083 由于分压不均匀, 使得 3083有的导通有的停止。 电网电压升高时, 原先导通的依然导通, 不导通的 要承受更高的电压, 3083有可能击穿。
第 28卷 第 4期 2007年 8月
偏离最佳预充电值时振荡电流的幅值。若使电容 器电流 ic = C # du /dt = 0, 则 du / dt = 0, 即晶闸管 必须在电源电压的正或负峰值处触发导通电容器 组, 电容器需预充电到峰值电压。
触发电路的功能是: 电流无冲击触发; 快速投 切, 20m s动作。这个 20ms不是得到投切命令到 产生动作的时间, 而是从停止到再投入动作的时 间为 20ms。快速反应时, 在平衡补偿电路, 不能 出现不平衡动作, 即有的相有电流, 有的相没有。 2 两类晶闸管的触发电路的特点和存在的问题
图 1 晶闸管投切电容器组的原理
其拉氏变换的数学模型为 [ 2]、[ 3]
U( s)
=
(LS
+
1 CS
)
#
I ( s)
+
Uco S
( 1)
设电源电压
U ( t) = Um # sin( Xt + A)
解得
第 28卷 第 4期 2007年 8月
电力电容器 Powe r Capac itor
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
等待电容器对电阻放电晶闸管两端电压才能衰减 为零。
合闸瞬间存在 MOC3083误导通现象, 误导通 可能损害晶闸管。
滤波装置中谐波电流大时, 晶闸管工作不正 常, 存在停止工作的情况。
电网电压高于 400V 电路设计困难。
图 6 国外公司产品的第一次触发冲击波形
3 晶闸管两端采集过零信号的新型电路, 及派生 的一系列触发电路 3. 1 在主回路中设计过零触发电路实属不易, 查 阅文献 [ 4]有基于霍尔原理工作的 LEM 模块采 集过零信号, 其过零触发的原理框图见图 7, 晶闸 管过零电压检测电路原理图见图 8。本文作者经
过努力, 依照图 7、图 8原理框图和电路原理图的 思路, 摈弃了 MOC3083在主回路取过零信号和触 发晶闸管的方法, 开发出一种新型的电路, 特点 是采集晶闸管的过零信号, 将它反馈到输入的低 压端再做信号逻辑处理来触发晶闸管。其电路框 图如图 9。这样就完全克服了 MOC3083的弱点。
图 7 TSC过零触发的原理框图
图 3 MOC3083电路图
MOC3083芯片内部有过零触发判断电路, 它 是为 220V 电网电压设计的, 芯片的双向 可控硅 耐压 800V, 在 4、6两端电压低于 12V 时如果输入 触发电流, 内部的双向可控硅就导通。
用在 380V 电网 的 TSC 电 路上 要串 联 几只 3083。在 2控 3的 TSC电路中的应用如图 4所示。
i( t) = iacm # cos( Xt+ A) - n( Uco
-
n
2
#
Um # n2 - 1
sinA)
#
sin( Xn t) Xc
- iacm # cosA# cos( Xn t)
式中 Xn 为电路的谐振角频率: Xn =
( 2) 1= LC
nX; 电路的谐振次数: n =
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
XC XL
;
电流
幅值:
第 28卷 第 4期 2007年 8月
电力电容器 Powe r Capac itor
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
谈晶闸管投切电容器 TSC的触发电路
王忠清 1, 杨建宁2
( 1. 江阴兴澄特种钢铁有限公司, 江苏江阴 214432 2. 北京金自天正智能控制股份公司 产品部, 北京 100070 ) 摘 要: 介绍了晶闸管投切电容器的原理和快速过零触发要求, 分析了两类晶闸管的触发电路 的特点和存在的问题, 指出了一种新型的从主回路晶闸管获取晶闸管电压过零信号的电路框 图, 以该电路为支撑又产生了一系列触发电路, 取得了很好的触发效果。 关键词: 晶闸管投切电容器 TSC; 触发电路 中图分类号: TM531. 4 文献标识码: B 文章编号: 100220349( 2007) 0420030207
直流电压不变, 从电网电压取得同步触发信号是 适合的。其缺点为电 路复杂, 对 于 400V 小容量 的 TSC电路造价高。如果 TSC 全部采用晶闸管 不用二极管, 由于电容器放电电压的逐渐减小, 意 味着触发点在变动, 上述电路不能跟随变化触发 点, 所以不适用。
从晶闸管两端取得过零信号比较困难, 过零
图 5 不正常工作的两对晶闸管的电压波形
电压作用。测量 C相停止时峰值电压为 540V, 其
有效值为 540 = 191V , 图中 C相升高的电压峰值 22
为 810V,
升高的倍数为:
810 191
=
4.
24 倍。 据 此 推
算, 400V 电压下工作, 晶闸管有可能承 受 400 @
4. 24= 1679V 的电压, 400V电网的 TSC电路多数
图 2 从电网电压取得同步信号的触发电路
电前, 给触发命令, 可以测量晶闸管的触发脉冲幅 度和相位, 在主回路得电后, 给触发命令, 可以确 认 TSC为正确投入工作。对于 TSC 电路中的两 只晶闸管 + 一只二极管的 / 2 + 10电路、两只晶闸 管 + 两只二极管的 / 2+ 20电路、三只晶闸管 + 三 只二极管的 / 3 + 30电路 [ 1] , 电容器有二 极管预 充电, 电容器上一直存在直流电压, 晶闸管的交
# 31#
第 28卷 第 4期 2007年 8月
电力电容器 Powe r Capac itor
触发要求电压高时截止, 电压最低时导通。几乎 找不出什么元件有这种特性。
目前, 从晶闸管两端取得过零信号的典型触 发电路是 MOC3083, 它的框图如图 3。
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
电力电容器 Powe r Capac itor
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在初次投切时有一定的冲击, 下面是国外著 名产品的首次投切的电流波形图。
图 6记录了 C相晶闸管两端 电压和 A 相电 流。电流投切冲击很大, 使得电网电压都产生了 变形。
不能用于快速的冲击负载。最快几百毫秒, 原因是晶闸管在刚刚停止时两端电压不为零, 要
在快速无功补偿和谐波滤波装置中, 要用晶 闸管投切电容器 TSC, 本文 [ 1] 分析了三种 TSC 的 主电路。执行元件晶闸管根据应用场合的不同, 有饼式的、模块的和双向可控硅的不同结构型式。 针对不同的主回路和不同的晶闸管型式, 触发电 路也不同。 TSC要求在晶闸管电压过零点触发, 确定晶闸管电压过零点的方法有两种, 一种是从 电网电压取得同步信号, 另一种是从晶闸管的阳 极和阴极取得过零信号。
在正弦波电源电压的正或负峰值点触发;
º: 式 ( 2 ) 中 的 第 二 项 为 零 Uco =
n2
#
Um n2 -
# 1
s
inA,
即电容器必须预充电到
n2 # n2 -
Um, 1
当
电路的谐振次数 n为 2、3时, 其值很大。
式 ( 2)的第三项给出当触发角偏离最佳点时
的振荡电流的幅值; 式 ( 2)中的第二项给出当 Uco
Th e T r igger C ircu it for Thyr istor Sw itched Capa citor ( TSC ) WANG Zhong2q ing1, YANG Jian2n ing2
( 1. X ingcheng Special S teel Co. , Ltd. , Jiang Y in 214432; 2. P roduction Departmen,t Be ijing A ritim e Inte lligent Control Co. , Ltd. , Beijing 100070, China) Abstr act: This article introduces the principle of the thyristor sw itched capacitor and the requiremen t for a fast zero trigger. The characteristics and the existed problems of two types of trigger circuits for thyristor were ana lyzed. A c ircu it frame d iagram for a new ly designed mechan ism of acqu iring the ze2 ro thyr istor voltage signa l from the thyristor in the ma in closed circu it is plotted. Based on th is cir2 cu i,t a series of trigger circu its were generated and exce llent trigger effects were achieved. K eyw ord s: Thyristor Sw itched Capacitor ( TSC); Trigger circuit
本文分析现存的各种触发电路的特点, 由此 推出一种新型的从主回路晶闸管上获取晶闸管电 压过零信号的电路, 以该电路为支撑产生了一系 列触发电路, 取得了很好的触发效果。 1 晶闸管投切电容器的原理和快速过零触发 要求
* 收稿日期: 2007204210
# 30#
晶闸管投切电容器组的关键技术是必须做到 投切时无电流冲击。晶闸管投切电容器组的原理 如图 1所示。
iacm
=
Um # n2 Xc( n2 - 1)
Uco ) 电容器的初始直流电压;
X) 基波角频率。
由式 ( 2)可知, 电流 i( t)由三项组成, 第一项
为稳态电流, 电流超前电压 90b, 为使 TSC投切电
容器组电流无冲击, 必须满足两个条件: ¹: 式 ( 2)的第三项 cos( Xn t) = 0, 即晶闸管
图 10 过零采集控制逻辑脉冲变压器驱动电路框图 中压 TSC, 根据绝缘要求需要采用脉冲磁环
触发, 见图 11。
3. 2 新触发电路, 在单片机作逻辑时间控制触发 的 2控 3电路中的应用。
由于第一次投切电容器没有直流电压, 是不理 想的状态, 必然有一定的冲击, 当冲击电流与正常 稳定电流之比 [ 1. 7倍时, 可以认为不影响晶闸管 和电容器的使用。投切停止后, 电容器上有电网峰 值电压, 晶闸管在电网电压和电容器直流电压的合 成作用下过零点触发, 应该没有冲击电流。
图 4 2控 3的 TSC电路
用 2对晶闸管开关控制 3相电路, 电路简单 了, 控制机理复杂了。这种触发电路随机给触发 命令要出现下面的许多麻烦问题。
快速动作时, 有触发命令, 一对晶闸管导通另 一对晶闸管不通电压反而升高了, 限于篇幅和重 点, 本文不分析为什么电压反而高了, 只是测量 2控 3电路确实看到了存在电压升高的现象, 这 种现象如同倍压整流电路直流电压升高一样。图 5 表 示不 正常工 作的 两 对晶 闸 管 的电 压 波 形。 试 验时晶闸管存在高压击穿的可能, 所以用调压器 将电压调低。晶闸管导通时两端电压为零, 不导 通时晶闸管承受电容器的直流电压和电网的交流
从同步信号的采集上, 有两类晶闸管触发电 路。一类为从电网电压取得同步信号, 一类为从 晶闸管两端取得同步信号。
从电网电压取得同步信号的电路框图如图 2 所示。
该电路包括同步变压器、同步信号处理电路 和功率驱动电路、脉冲变压器隔离电路等。当得 到触发命令后, 在投切点产生触发脉冲列, 经过脉 冲变压器隔离, 推动晶闸管。同步信号处理电路 有滤波处理功能, 可以由 CMOS等电子电路组成, 也可以是单片机、GAL电路等。电路中包括相序 错判断功能。
图 8 晶闸管过零电压检测电路原理图
图 9 过零采集控制逻辑光电驱动电路框图 # 33#
第 28卷 第 4期 2007年 8月
电力电容器 Powe r Capac itor
Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
400V电网电压多数采用模块晶闸管, 可以采 用光电驱动晶闸管如图 9 所示。电压 \ 660V 的 电网, 需要采用脉冲变压器驱动, 如图 10。
# 32#
是采用模块式的晶闸管, 模块的耐压不高, 常规为 1800V, 升高的管压很容易击穿晶闸管。
在晶闸管电压波形过零点, 串联的 MOC3083 由于分压不均匀, 使得 3083有的导通有的停止。 电网电压升高时, 原先导通的依然导通, 不导通的 要承受更高的电压, 3083有可能击穿。
第 28卷 第 4期 2007年 8月
偏离最佳预充电值时振荡电流的幅值。若使电容 器电流 ic = C # du /dt = 0, 则 du / dt = 0, 即晶闸管 必须在电源电压的正或负峰值处触发导通电容器 组, 电容器需预充电到峰值电压。
触发电路的功能是: 电流无冲击触发; 快速投 切, 20m s动作。这个 20ms不是得到投切命令到 产生动作的时间, 而是从停止到再投入动作的时 间为 20ms。快速反应时, 在平衡补偿电路, 不能 出现不平衡动作, 即有的相有电流, 有的相没有。 2 两类晶闸管的触发电路的特点和存在的问题
图 1 晶闸管投切电容器组的原理
其拉氏变换的数学模型为 [ 2]、[ 3]
U( s)
=
(LS
+
1 CS
)
#
I ( s)
+
Uco S
( 1)
设电源电压
U ( t) = Um # sin( Xt + A)
解得
第 28卷 第 4期 2007年 8月
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Vo.l 28 No. 4 Aug. 2007
等待电容器对电阻放电晶闸管两端电压才能衰减 为零。
合闸瞬间存在 MOC3083误导通现象, 误导通 可能损害晶闸管。
滤波装置中谐波电流大时, 晶闸管工作不正 常, 存在停止工作的情况。
电网电压高于 400V 电路设计困难。
图 6 国外公司产品的第一次触发冲击波形
3 晶闸管两端采集过零信号的新型电路, 及派生 的一系列触发电路 3. 1 在主回路中设计过零触发电路实属不易, 查 阅文献 [ 4]有基于霍尔原理工作的 LEM 模块采 集过零信号, 其过零触发的原理框图见图 7, 晶闸 管过零电压检测电路原理图见图 8。本文作者经
过努力, 依照图 7、图 8原理框图和电路原理图的 思路, 摈弃了 MOC3083在主回路取过零信号和触 发晶闸管的方法, 开发出一种新型的电路, 特点 是采集晶闸管的过零信号, 将它反馈到输入的低 压端再做信号逻辑处理来触发晶闸管。其电路框 图如图 9。这样就完全克服了 MOC3083的弱点。
图 7 TSC过零触发的原理框图
图 3 MOC3083电路图
MOC3083芯片内部有过零触发判断电路, 它 是为 220V 电网电压设计的, 芯片的双向 可控硅 耐压 800V, 在 4、6两端电压低于 12V 时如果输入 触发电流, 内部的双向可控硅就导通。
用在 380V 电网 的 TSC 电 路上 要串 联 几只 3083。在 2控 3的 TSC电路中的应用如图 4所示。
i( t) = iacm # cos( Xt+ A) - n( Uco
-
n
2
#
Um # n2 - 1
sinA)
#
sin( Xn t) Xc
- iacm # cosA# cos( Xn t)
式中 Xn 为电路的谐振角频率: Xn =
( 2) 1= LC
nX; 电路的谐振次数: n =
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
XC XL
;
电流
幅值:
第 28卷 第 4期 2007年 8月
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谈晶闸管投切电容器 TSC的触发电路
王忠清 1, 杨建宁2
( 1. 江阴兴澄特种钢铁有限公司, 江苏江阴 214432 2. 北京金自天正智能控制股份公司 产品部, 北京 100070 ) 摘 要: 介绍了晶闸管投切电容器的原理和快速过零触发要求, 分析了两类晶闸管的触发电路 的特点和存在的问题, 指出了一种新型的从主回路晶闸管获取晶闸管电压过零信号的电路框 图, 以该电路为支撑又产生了一系列触发电路, 取得了很好的触发效果。 关键词: 晶闸管投切电容器 TSC; 触发电路 中图分类号: TM531. 4 文献标识码: B 文章编号: 100220349( 2007) 0420030207
直流电压不变, 从电网电压取得同步触发信号是 适合的。其缺点为电 路复杂, 对 于 400V 小容量 的 TSC电路造价高。如果 TSC 全部采用晶闸管 不用二极管, 由于电容器放电电压的逐渐减小, 意 味着触发点在变动, 上述电路不能跟随变化触发 点, 所以不适用。
从晶闸管两端取得过零信号比较困难, 过零
图 5 不正常工作的两对晶闸管的电压波形
电压作用。测量 C相停止时峰值电压为 540V, 其
有效值为 540 = 191V , 图中 C相升高的电压峰值 22
为 810V,
升高的倍数为:
810 191
=
4.
24 倍。 据 此 推
算, 400V 电压下工作, 晶闸管有可能承 受 400 @
4. 24= 1679V 的电压, 400V电网的 TSC电路多数