一種晶閘管投切的無功補償電路設計

盧中友

（金堆城鉬業股份有限公司，西安 710077）

能源對于國民經濟的制約作用越來越明顯，隨著工業化的進程，大型電力設備的應用逐漸增加，工業領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。同時，信息化設備、高精度數控設備的日益增多，致使目前的電力供需矛盾不僅體現在用電負荷上，同時電能質量的問題也越發尖銳。因此，世界范圍內，特別是在工業發達國家，電能質量治理得到了廣泛關注。與此同時，電力系統的無功功率補償、諧波治理、電壓波動等電能質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發展觀觀點相違背，嚴重阻礙了節約型社會的發展進程。

無功補償是當前電能質量治理最為突出、緊迫的問題。目前普遍采用的裝置主要為靜止無功補償器（Static Var Compensator,SVC）。它主要包括：晶閘管投切電容型無功補償器（Thyristor Switched Capacitor,TSC）、晶閘管控制電抗型無功補償器（Thyristor Controlled Reactor,TCR）、磁閥控制電抗型無功補償器（Magnetically Controlled Reactor,MCR）。TSC型無功補償轉置，采用晶閘管開關器件分組投切電容器技術改變裝置的無功出力，相比于TCR、MCR方式的無功補償裝置具有損耗小、成本低、安裝維護方便、可靠性高、應用范圍寬、技術成熟等特點，是目前無功補償領域的主力軍。按照電容分組投切開關的類型，TSC型的補償裝置可以分為：①機械開關（包括斷路器、接觸器、繼電器等）分組投切電容器，但機械開關存在投切涌流、投切時間長及開關投切次數少等弊端；②復合開關分組投切電容器，復合開關將電力電子無觸點開關與機械開關相結合，在機械開關的通斷過程中，先期導通電力電子無觸點開關，在機械開關完成通斷動作后，再關斷，避免了機械開關的投切涌流，卻依然不能解決開關的投切次數較少、開關過程時間長、切投間隔時間久等問題；③采用電力電子無觸點開關投切，由于其能在每個周波內無應力打開、關斷，采用此開關的TSC型無功補償裝置可以做到系統無功補償的快速、精確，使系統運行于較高的功率因數下，有效的解決電力傳輸中的線損、設備容量能力，改善用戶端的電壓降低等特點，逐漸成為目前電容分組投切型無功補償設備的性能最為優越的開關器件。電力電子無觸點開關可采用的器件有SCR、GTO、IGBT、IGCT、IEGT等，一般情況下，基于無功補償的應用及成本考慮，目前主要以晶閘管器件為主。

1 TSC裝置中晶閘管開關的電氣特性分析

TSC無功補償裝置拓撲結構中，以角外控制的電容器角接形式控制難度最大。因此，本文以該拓撲結構為例分析在不同工況下，晶閘管開關的端電壓特性，設計其驅動電路，并驗證。該電路完全可應于TSC無功補償裝置的其他拓撲結構。當電容器負載采用三角連接角外控制時，每組投切開關中僅需兩組晶閘管開關，其原理結構如圖1所示。圖中左右兩組投切開關，其拓撲結構差別在于晶閘管開關所控制的電容器相別有不同，其中左側組控制為A、C相，右側組控制為A、B相。

圖1 角接電容器型TSC裝置的結構示意圖

對于電力系統，系統電源的A、B、C相電壓間存在 120°角差，因此晶閘管開關的關斷存在先后順序。由于電容器的電壓與電流有90°的相位差，晶閘管開關應在其電流過零點關斷時應力最小，但此時對應相的相電壓并不為零，而是電壓的峰值。圖1的拓撲結構的差別與晶閘管開關的投切順序密切相關，對于A、C相控制電容器組的晶閘管開關來說，相當于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端電壓相位領先S2端電壓相位120°。因此對于上述兩組投切結構，如果調整S1、S2的投切順序，兩種結構將完全一致。TSC型無功補償裝置在晶閘管切出時，其拓撲結構會產生變化，當其中一相晶閘管切除時，電容器組由角接方式變為兩只電容器串聯與另外一只電容器并聯的連接方式，電路的拓撲結構發生變化，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行分析，結果如圖2、圖3所示，仿真結果表明，對于系統線電壓有效值U為400V的供電系統，兩組投切開關控制都會產生嚴重的過壓問題。當晶閘管開關 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，當晶閘管開關 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S1端電壓不存在過零點，而在圖2、圖3中的開關S2端電壓在每個周波內都存在惟一電壓過零點。但由于通常系統電壓幅值會存在波動，當系統電壓幅值由于波動小于電容器切除時的系統電壓幅值時，該惟一零點將不復存在。在晶閘管開關端電壓沒有過零點的系統，如果晶閘管不能打開，將給系統帶來嚴重后果。

傳統的晶閘管觸發電路往往采用 MOC3083作為過零點檢測芯片，其特點是能準確的判斷電壓的過零點從而發出正確的觸發信號，但對于上述分析的狀況，當開關端電壓偏離零點時，傳統的過零電路檢測判斷已經失去意義，并無法正常工作。因此在采用 MOC3083過零判斷的晶閘管開關在一些需要快速無功補償的工況中，由于系統電壓的波動而無法準確將晶閘管觸發，導致兩路晶閘管無法可靠投入，裝置無功補償功能失效，不能正常觸發的晶閘管同時會導致相應的電容器電壓不斷充電，電壓值不斷升高，嚴重影響電容器、晶閘管開關及其他一次設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計

為了準確獲取晶閘管的端電壓信號，本設計采用比例放大器進行差分采樣，電路原理如圖4所示。圖中的ESD為靜電保護芯片，其內阻遠小于采樣電阻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。根據運放電路的工作原理，差分運放的輸出電壓信號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，通過調整電阻RS與RF的阻值，可得到幅度適合的采樣信號。VSAM經過的窗口比較器與Vth?、Vth+比較即可捕獲VSAM信號經過2.5V的時刻，即晶閘管的端電壓過零時刻。由于過零點采樣在2V位置，比2.5V位置提前，因此需要采用由R5與C1構成的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對應的時刻。參考信號Vth?、Vth+具體幅值的選擇對觸發點時刻有直接影響。采樣電路的PSpice仿真結果如圖5（a）、圖5（b）所示。

圖5 檢測信號VSYN的PSpice仿真結果

3 晶閘管驅動電路設計

晶閘管的驅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，隔離強度高等特點，本設計采用變壓器對驅動信號進行隔離。由于變壓器只能傳遞交流信號，因此需要將將過零點脈沖與高頻脈沖信號進行疊加，使變壓器將控制信號傳遞至晶閘管控制端。高頻脈沖信號發生及其與觸發脈沖的疊加信號采用如圖6所示的電路處理，圖中U1A為斯密特觸發器，其與C1、R1構成震蕩電路，產生高頻脈沖，U1C、U1D完成觸發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產生的觸發脈沖信號經過隔離放大電路（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打開晶閘管開關，U3為雙路MOSFET芯片，負責對隔離變壓器的驅動。U2芯片的 SEN端采樣MOSFET管的驅動電流，當出現過流時進行保護。由圖6可知SIG1、SIG2觸發信號內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行驅動，采用驅動分時技術大大降低電路的功耗，減少MOSFET的發熱，同時使U2對每路電流的檢測更為方便。

圖6 晶閘管驅動脈沖信號發生電路

圖7 晶閘管驅動脈沖信號隔離放大電路

4 實驗結果分析

為了驗證硬件電路設計的正確性，對采用上述過流檢測及驅動電路應用于角接的電容器負載的晶閘管開關控制。試驗獲得SIG1、SIG2觸發信號如圖8所示，圖9為單個觸發信號的放大圖。本設計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 晶閘管觸發脈沖試驗波形

圖9 單個晶閘管觸發脈沖試驗波形放大圖

晶閘管觸發時刻波形分別如圖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，在接受到觸發使能信號后，晶閘管在電壓過零點打開。圖11中，晶閘管端電壓偏移量恰好為系統線電壓峰值，在整個周波內，端電壓的最小值位于零點位置，此時晶閘管可被安全觸發。圖10、11說明，采用本設計的晶閘管端電壓過零檢測及觸發電路能電容器角接 A、C相控制中，在每個周波內可以安全、準確的觸發晶閘管，從而使TSC無功補償裝置的無功響應時間在 20ms以內。另外由于本電路支持晶閘管端電壓完全偏離零點的工況，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安全運行，角接電容器的 A、B相控制在設計中應用較少。

圖10 晶閘管觸發試驗波形一

圖11 晶閘管觸發試驗波形二

晶閘管觸發后的端電壓波形如圖12所示，圖示表明晶閘管導通后的管壓降，在晶閘管開關導通過程中，過零檢測電路的輸出由過零脈沖變為電平信號，因此過零檢測電路僅在晶閘管開關在其斷開后第一次開啟起作用。采用本文設計的晶閘管端電壓過零檢測及觸發電路控制的晶閘管開關的電流波形，如圖13所示，在晶閘管開啟過程中沒有涌流出現，系統平穩，不存在任何沖擊。而采用MOC3083的傳統晶閘管觸發電路替換本文設計的觸發電路，在相同的實驗環境下，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觸發控制信號寬度一致，晶閘管開關斷開后 120ms發出觸發信號，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，而圖14的試驗波形表明在接收到控制信號的160ms左右才將晶閘管觸發，由此可見基于本設計的晶閘管觸發電路具有較高的可靠性。

圖12 晶閘管觸發后端電壓波形

圖13 晶閘管開關關斷、開啟過程的電流波形

圖14 MOC3083觸發晶閘管關斷、開啟過程電流波形

試驗結果表明，本文設計的晶閘管過零點檢測及觸發電路在復雜工況下，能夠準確、快速的將晶閘管觸發，觸發過程不產生電流涌流，穩定可靠，比傳統的晶閘管觸發電路性能有明顯提高。

5 結論

通過對TSC裝置中電容器角接方式下晶閘管開關工作特性的分析，列舉了晶閘管開關過程的各種工況，并采用Pspice仿真軟件設計出安全可靠的晶閘管端電壓過零檢測及觸發電路。Pspice仿真結果表明本文的設計具有良好的通用性，不僅在晶閘管端電壓存在過零情況下能夠安全、準確的觸發晶閘管，當晶閘管端電壓偏離電壓零點時，依然能在晶閘管端電壓最小值時將其觸發，從而保證了系統的無功響應時間，同時避免電容電壓的持續上升問題。試驗結果表明該晶閘管端電壓過零檢測及觸發電路具有良好的電氣性能，晶閘管開關投切準確、可靠，投切過程不產生電流涌流，相比于傳統的MOC3083晶閘管觸發電路，在單個周波內完全能安全觸發晶閘管。基于該觸發電路設計的TSC無功補償裝置，能夠做到無功功率的周波響應，同時能夠避免由于電壓波動而導致的晶閘管端電壓過零點消失的復雜工況，可應用于中頻爐、電焊機等快速無功變換的環境，提高系統功率因數，節約能源。本文晶閘管觸發電路，不僅可用于晶閘管開關，也可以用于復合開關等其他場合的晶閘管觸發，具有一定的工程價值。

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