一种TSC型低压动态投切开关的触发装置及触发控制方法
技术领域
本发明涉及一种TSC型触发装置及触发控制方法。
背景技术
近年来,由于电网容量的增加,对电网无功要求也日益增加。解决好电网无功补偿问题,提高功率因数,以降低线损,节约能源,挖掘发供电设备的潜力,是当前各国电网发展的趋势。
据统计,输电线路、高压配电网和低压用户的三大部分的线损中,低压用户的线损最大,大量的无功功率严重降低了系统的功率因数,增大了线路的电失和电能损耗,严重影响着能源、制造等相关行业的经济效益。因此,无功功率补偿对改善电能质量,稳定系统电压意义重大。由于低压配电建设滞后,网架薄弱、设施老化、线路线径小,配电变压器大部份为高能耗变压器,所以电力部门大力推广低压无功就地补偿装置。低压补偿是直接对输电线路和用电负荷进偿,效果比较理想。
目前,在电力系统和工业系统中,较多采用无源电力滤波装置和晶闸管控制电抗器装置,例如申请号为200820032974.8的中国实用新型专利,其公开了一种低压动态无功补偿装置,该系统可以进行无功功率补偿、抑制电压波动和提高功率因数,但无源电力滤波装置只能补偿固定的无功功率,晶闸管控制电抗器装置在工作中产生的感性无功电流会被固定电容中的容性无功电流抵消掉,容易造成器件和容量的浪费,并且由于输配电线路和负荷多呈现感性,因此在电力系统中多采用电容进行补偿。
晶闸管投切电容器组(Thyristor Switched capacitor简称TSC),在解决电网稳定性以及配电电能质量等问题中发挥了相当重要的作用,其中,TSC是Thyristor SwitchedCapacitor的缩写,以下简称TSC。选择适当的时刻触发晶闸管,使电容器的投入不会对系统造成冲击,是设计TSC控制电路中最为关键的技术。选取合适的触发时刻总的原则是,TSC投入电容时,也就是晶闸管开通的时刻,必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位相同。这是由于若投入时刻电容上的电压与系统电压不相等,将会导致电容上的电压发生突变,根据电容器的特性,会造成很大的冲击电流,很可能破坏晶闸管或给电源带来高频振荡等不良影响。但是无论投入前电容器充电电压(也称残压)是多少,其往往都是不易测量的,所以必须通过其他一些方法来选取合适的开关时刻。
由于TSC无功补偿的系统大多数为谐波电流比较严重的场合,而谐波电流会引起电压畸变,特别是在煤炭、冶炼、化工等行业尤为严重。因此如果采用简单的过零比较器产生检测信号,就会出现检测方波信号在电网电压零点附近多次电平跳跃现象,从而导致程序混乱,造成晶闸管阀误触发,严重的时候可能使晶闸管阀损坏。
发明内容
本发明目的是为了解决现有TSC无功补偿的系统出现检测方波信号在电网电压零点附近多次电平跳跃现象的问题,提供了一种TSC型低压动态投切开关的触发装置及触发控制方法。
一种TSC型低压动态投切开关的触发装置,该触发装置包括A相触发装置、B相触发装置和C相触发装置,且A相触发装置、B相触发装置和C相触发装置的结构完全相同,其中,A相触发装置包括检测单元、逻辑处理单元、触发单元一和触发单元二;
所述检测单元用于检测待触发的晶闸管功率单元的一号电压信号和二号电压信号;所述一号电压信号是指当待触发的晶闸管功率单元两端的电压正向过零时,经过晶闸管功率单元的电压;
所述二号电压信号是指当待触发的晶闸管功率单元两端的电压反向过零时,经过晶闸管功率单元的电压;
所述晶闸管功率单元的一号电压信号输出端连接检测单元的一号电压信号的输入端;
所述晶闸管功率单元的二号电压信号输出端连接检测单元的二号电压信号的输入端;
所述检测单元的脉冲信号输出端连接逻辑处理单元的脉冲信号输入端;所述逻辑处理单元的两个投切信号输出端分别连接触发单元一的投切信号输入端和触发单元二的投切信号输入端;
触发单元一的触发命令信号输出端为晶闸管功率单元的一个触发命令信号输入端;
触发单元二的触发命令信号输出端为晶闸管功率单元的另一个触发命令信号输入端;
所述触发单元一和触发单元二的结构相同。
应用一种TSC型低压动态投切开关的触发装置的触发控制方法,所述A相触发装置、B相触发装置和C相触发装置的触发控制方法相同,该A相触发装置的触发控制方法的实现过程为:
检测单元所采集到的晶闸管功率单元两端的电压信号,该电压信号经过检测单元进行整形和滤波后,输出滤波后的电压信号至逻辑处理单元;逻辑处理单元对该滤波后的电压信号进行判断:
当晶闸管功率单元两端的电压为正半周期接近零点时,逻辑处理单元输出投切信号AC2给触发单元二;该触发单元二输出触发信号给晶闸管功率单元的二号晶闸管;二号晶闸管承受反向电压不导通,此时一号晶闸管承受正向电压,门极AG1信号存在,一号晶闸管导通;
当晶闸管功率单元两端的电压为正半周期过零点时,二号晶闸管导通;此时一号晶闸管承受反相偏置电压关断;
当在晶闸管功率单元两端的电压为负半周期接近零点时,逻辑处理单元输出投切信号AC1给触发单元一;该触发单元一输出触发信号给晶闸管功率单元的一号晶闸管;一号晶闸管承受反向电压不导通,此时二号晶闸管承受正向电压,门极AG2信号存在,二号晶闸管导通;
当晶闸管功率单元两端的电压为负半周期过零点时,一号晶闸管导通;此时二号晶闸管承受反相偏置电压关断。
本发明的优点:该触发装置以控制单元中的逻辑处理单元(CPLD)作为逻辑运算核心,充分利用电力电子元件的自身特点,采用反相触发和强制提前触发技术、实现了过零导通的投切开关、同时避免了自触发过程中的冲击和波动,可不用考虑电容残压,进行无冲击电流的频繁投切。强制提前触发模式使晶闸管保持持续导通,降低了控制器设计的复杂性。通过电压过零前的电压带的检测替代一个电压点的检测,让检测更加容易和准确,提高了投切的准确性。避免了检测电路采样比较等繁琐的环节,使得整个触发装置结构简捷、可靠性高、电路简单,进而降低了产品的成本,并且可以提高用户配电变压器的利用率,改善用户功率因数和电压质量,有效地降低电能损失。
附图说明
图1是本发明所述一种TSC型低压动态投切开关的触发装置的A相触发装置的结构示意图;
图2是投切电力电容器的晶闸管触发装置确定的投入时刻相位图,图中U为晶闸管功率单元两端的电压,20ms为一个电网电压周期;在电网电压是正半周期接近零点时,即0ms附近,VT2承受反向电压,此时给VT2发出触发信号;当在电网电压是负半周期接近零点时,即10ms附近,VT1承受反向电压,此时给VT1发出触发信号。
图3是晶闸管功率单元示意图,图中AK1和AK2为反并联晶闸管的两端,AG1和AG2分别为晶闸管VT1和晶闸管VT2的门极;
图4是CPLD芯片的引脚示意图;
图5是光耦电路组件的电路原理图;
图6是逻辑门电路1-2的电路原理图;
图7是触发电路一的电路结构图。
具体实施方式
具体实施方式一:下面结合图1、图3和图5说明本实施方式,本实施方式所述一种TSC型低压动态投切开关的触发装置,该触发装置包括A相触发装置、B相触发装置和C相触发装置,且A相触发装置、B相触发装置和C相触发装置的结构完全相同,其中,A相触发装置包括检测单元1、逻辑处理单元2、触发单元一3和触发单元二4;
所述检测单元1用于检测待触发的晶闸管功率单元5的一号电压信号和二号电压信号;所述一号电压信号是指当待触发的晶闸管功率单元5两端的电压正向过零时,经过晶闸管功率单元5的电压;
所述二号电压信号是指当待触发的晶闸管功率单元5两端的电压反向过零时,经过晶闸管功率单元5的电压;
所述晶闸管功率单元5的一号电压信号输出端连接检测单元1的一号电压信号的输入端;
所述晶闸管功率单元5的二号电压信号输出端连接检测单元1的二号电压信号的输入端;
所述检测单元1的脉冲信号输出端连接逻辑处理单元2的脉冲信号输入端;所述逻辑处理单元2的两个投切信号输出端分别连接触发单元一3的投切信号输入端和触发单元二4的投切信号输入端;
触发单元一3的触发命令信号输出端为晶闸管功率单元5的一个触发命令信号输入端;
触发单元二4的触发命令信号输出端为晶闸管功率单元5的另一个触发命令信号输入端;
所述触发单元一3和触发单元二4的结构相同。
本实施方式中所述的晶闸管功率单元5是采用两个反并联的一号晶闸管VT1和二号晶闸管VT2实现的。
具体实施方式二:下面结合图1说明本实施方式,本实施方式对实施方式一作进一步说明,本实施方式所述的检测单元1包括光耦电路组件1-1和逻辑门电路1-2;
检测单元1检测的待触发晶闸管功率单元5的一号电压信号的输出端与光耦电路组件1-1的一号电压信号的输入端连接;
检测单元1检测的待触发晶闸管功率单元5的二号电压信号的输出端与光耦电路组件1-1的二号电压信号的输入端连接;
光耦电路组件1-1的一号脉冲信号AJVT1的输出端连接逻辑门电路1-2的一号脉冲信号AJVT1的输入端;
光耦电路组件1-1的二号脉冲信号AJVT2的输出端连接逻辑门电路1-2的二号脉冲信号AJVT2的输入端;
逻辑门电路1-2输出脉冲信号给逻辑处理单元2。
具体实施方式三:下面结合图1和图4说明本实施方式,本实施方式对实施方式一作进一步说明,本实施方式所述的逻辑处理单元2是采用可编程逻辑器件CPLD实现的。
具体实施方式四:下面结合图1和图5说明本实施方式,本实施方式对实施方式一和实施方式二所作的进一步说明,本实施方式所述的光耦电路组件1-1包括二十号电阻R20、二十二号电阻R22、第一光耦电路1-1-1和第二光耦电路1-1-2;
所述第一光耦电路1-1-1包括一号光电耦合器U4、二十三号电阻R23和二十四号电阻R24;
所述第二光耦电路1-1-2包括二号光电耦合器U6、二十六号电阻R26和二十七号电阻R27;
所述晶闸管功率单元5的一号电压信号输出端连接二十号电阻R20的一端,该二十号电阻R20的另一端同时连接一号光电耦合器U4信号输入侧发光二极管的阳极和二号光电耦合器U6信号输入侧发光二极管的阴极;
所述晶闸管功率单元5的二号电压信号输出端连接二十二号电阻R22的一端,该二十二号电阻R22的另一端同时连接一号光电耦合器U4信号输入侧发光二极管的阴极和二号光电耦合器U6信号输入侧发光二极管的阳极;
所述一号光电耦合器U4信号输出侧光敏三极管的发射极经过二十三号电阻R23后输出一号脉冲信号AJVT1给逻辑门电路1-2;
所述一号光电耦合器U4信号输出侧光敏三极管的发射极经过二十四号电阻R24后连接电源地;
所述光耦电路U4输出侧光敏三极管的集电极连接电源Vcc1;
所述二号光电耦合器U6信号输出侧光敏三极管的发射极经过二十六号电阻R26后输出二号脉冲信号AJVT2给逻辑门电路1-2;
所述二号光电耦合器U6信号输出侧光敏三极管的发射极经过二十七号电阻R27后连接电源地;
所述二号光电耦合器U6输出侧光敏三极管的集电极连接电源Vcc1。
在本实施方式中,当电网电压瞬时值与电容残压相等时,晶闸管功率单元5上电压为零,光电耦合器U4在晶闸管功率单元5两端的电压正向过零时导通,这时一号光电耦合器U4输出一号脉冲信号AJVT1,二号光电耦合器U6在晶闸管功率单元5两端的电压反向过零时导通,这时二号光电耦合器U6输出二号脉冲信号AJVT2。所述的一号光电耦合器U4和二号光电耦合器U6实现了电路的电气隔离和方波整形。
具体实施方式五:下面结合图1和图6说明本实施方式,本实施方式是对实施方式一和实施方式二所作的进一步说明,本实施方式所述的逻辑门电路1-2包括与门电路U5、十七号电阻R17、十九号电阻R19、二十八号电阻R28、二十九号电阻R29、二号电容C2和三号电容C3;
所述与门电路U5为型号是74HCO8的与门电路,用于将由光耦电路组件1-1输入的电压信号进行整形和滤波;
所述光耦电路组件1-1的一号脉冲信号AJVT1的输出端连接与门电路U5的引脚1和引脚2,该与门电路U5的3号引脚经过十九号电阻R19后同时连接二号电容C2的一端、十七号电阻R17的一端、与门电路U5的引脚12和与门电路U5的引脚13;
所述二号电容C2的另一端同时连接十七号电阻R17的另一端和电源地;
所述光耦电路组件1-1的二号脉冲信号AJVT2的输出端连接与门电路U5的引脚4和引脚5,该与门电路U5的引脚6经过二十八号电阻R28后同时连接三号电容C3的一端、二十九号电阻R29的一端、与门电路U5的引脚9和与门电路U5的引脚10;
所述三号电容C3的另一端同时连接二十九号电阻R29的另一端和电源地;
与门电路U5的引脚11输出整形和滤波后的一号电压信号AVT1;与门电路U5的引脚8输出整形和滤波后的二号电压信号AVT2。
光耦电路组件1-1输出信号AJVT1和信号AJVT2分别经与门电路U5进行进一步整形和滤波后输出电压信号AVT1和AVT2至逻辑处理单元2的引脚98和引脚99。脉冲信号AJVT1经与门电路U5的引脚1和引脚2输入,由引脚3输出,经过电阻R19、R17和电容C2组成的滤波电路,由引脚12和引脚13输入,最后由引脚11输出AVT1信号;信号AJVT2经与门电路U5的引脚4和引脚5输入,由引脚6输出,经过电阻R28、R29和电容C3组成的滤波电路,由引脚9和引脚10输入,最后由引脚8输出AVT2信号。逻辑处理单元2根据AVT1信号和AVT2信号来发出触发命令信号。
具体实施方式六:下面结合图1和图7说明本实施方式,本实施方式对实施方式一作进一步说明,本实施方式所述的触发单元一3包括光电耦合器U2、三号电阻R3、四号电阻R4、五号电阻R5、六号电阻R6、七号电阻R7、八号电阻R8、一号二极管D1、二号二极管D2和三极管Q1;
所述逻辑处理单元2的投切信号AC1的输出端同时连接四号电阻R4的一端和光电耦合器U2信号输入侧发光二极管的阳极;
该四号电阻R4的另一端连接电源地;
所述光电耦合器U2信号输入侧发光二极管的阴极经过七号电阻R7后连接电源地;
所述光电耦合器U2信号输出侧光敏三极管的发射极连接电源地一;
所述光电耦合器U2信号输出侧光敏三极管的集电极同时连接五号电阻R5的一端和六号电阻R6的一端,该五号电阻R5另一端连接电源Vcc1,该六号电阻R6的另一端连接三极管Q1的基极;
所述三极管Q1的发射极连接电源Vcc1,该三极管Q1的集电极连接一号二极管D1的阳极;
所述一号二极管D1的阴极经过三号电阻R3后同时与八号电阻R8的一端、二号二极管D2的阴极和晶闸管功率单元5的门极AG1连接;
该八号电阻R8的另一端同时连接二号二极管D2的阳极、电源地一和晶闸管功率单元5的AK1;
电阻R7用来限制光电耦合器的导通电流,限流电阻用来对通过光电耦合器晶闸管的电流加以限制,起到对器件的保护作用;二极管D1采用肖特基二极管,防止误导通;电阻R8和二极管D2共同组成晶闸管门极保护电路。门极电阻R8的功能是给晶闸管的触发电流分流,它对增强电路的抗干扰性和温度稳定性是十分重要的。
具体实施方式七:下面结合图1至图7说明本实施方式,本实施方式所述的是采用一种TSC型低压动态投切开关的触发装置实现的TSC型低压动态投切开关的触发控制方法,所述A相触发装置、B相触发装置和C相触发装置的触发控制方法相同,该A相触发装置的触发控制方法的实现过程为:
检测单元1所采集到的晶闸管功率单元5两端的电压信号,该电压信号经过检测单元1进行整形和滤波后,输出过滤后的电压信号至逻辑处理单元2;逻辑处理单元2对该过滤后的电压信号进行判断:
当晶闸管功率单元5两端的电压为正半周期接近零点时,逻辑处理单元2输出投切信号AC2给触发单元二4;该触发单元二4输出触发信号给晶闸管功率单元5的二号晶闸管VT2;二号晶闸管VT2承受反向电压不导通;此时一号晶闸管VT1承受正向电压,门极AG1信号存在,一号晶闸管VT1导通;
当晶闸管功率单元5两端的电压为正半周期过零点时,二号晶闸管VT2导通;此时一号晶闸管VT1承受反相偏置电压关断;
当在晶闸管功率单元5两端的电压为负半周期接近零点时,逻辑处理单元2输出投切信号AC1给触发单元一3;该触发单元一3输出触发信号给晶闸管功率单元5的一号晶闸管VT1;一号晶闸管VT1承受反向电压不导通,此时二号晶闸管VT2承受正向电压,门极AG2信号存在,二号晶闸管VT2导通;
当晶闸管功率单元5两端的电压为负半周期过零点时,一号晶闸管VT1导通;此时二号晶闸管VT2承受反相偏置电压关断。
本实施方式是以A相的晶闸管开关为例,对于B相和C相,触发与导通原理与此相同。
本发明的工作原理如下:
当U为晶闸管功率单元两端的电压,20ms为一个电网电压周期,在反并联的晶闸管功率单元5未给触发信号时,检测其两端电压U,当晶闸管功率单元5两端电压接近零点时,触发承受反相电压的单只晶闸管,由于半导体器件的特性关系,该晶闸管此时承受反相偏置电压无法导通,但是,一旦此晶闸管功率单元5两端电压过零之后,其自然承受正向电压导通,并在其后通过在门极施加连续的触发信号,使得晶闸管的工作模拟二极管模式(即一旦晶闸管进入正向偏置器件即自然导通,而当通过器件的电流小于维持电流时器件自然关断)。具体如图2所示,在晶闸管功率单元5两端的电压是正半周期接近零点时,即0ms附近,VT2承受反向电压,此时给VT2发出触发信号;当在晶闸管功率单元5两端的电压为负半周期接近零点时,即10ms附近,VT1承受反向电压,此时给VT1发出触发信号。
在上述过程中晶闸管功率单元5两端的电压很小,由于过零准确,电容器接入电网时,电容器与电网之间没有压差,因此投入电容器时不会产生电流冲击,电流也没有阶跃变化,能够迅速进入稳态。对于电力信号来说,信号成份复杂、幅度可变,基波频率不是严格变化而是在一定范围内波动,这就需要用一个过零比较器来实现每一个电网电压周期的零点定位,由于检测一个点电压是很困难而且容易受到干扰的,通过电压过零前的电压带的检测替代一个电压点的检测,让检测更加容易和准确。