CN103280816A - 一种基于非线性取样的晶闸管过零触发装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非线性取样的晶闸管过零触发装置,包括整流单元、非线性取样单元、过零检测单元、锁存单元和脉冲发生单元。本发明采用非线性取样单元,拓宽了电路的输入电压范围,同时避免了过零检测单元中三极管工作点随主电路电压大范围变化;可精确判断TSC装置中晶闸管端电压的过零点,采用本发明的TSC装置具有电容器投入电网时无冲击电流的特点,避免了冲击电流对晶闸管及电容器造成损伤,提高了装置寿命;适用电压等级高,可精确判断晶闸管端电压过零点,无冲击电流,响应速度快。
Description
技术领域
本发明属于电力电子器件触发技术领域,具体涉及一种基于非线性取样的晶闸管过零触发装置。
背景技术
随着我国国民经济水平地不断提高,其对电能地需求量越来越大,如何高效率地利用电能,减少电能浪费成为当今社会研究地焦点。目前工矿企业的低压配电网负载情况复杂,母线电流大,自然功率因数低,因线损而造成的电能浪费现象十分严重。采用晶闸管投切电容器(TSC)装置进行无功功率补偿是解决上述问题的一种经济有效办法。
TSC装置核心部分除控制器外,还包括晶闸管触发电路。TSC装置中晶闸管阀为两个晶闸管反并联接线方式。触发导通晶闸管时需考虑电容器的残压。原因是电容器两端电压不能突变,若电源电压和电容器残压相差较大时触发晶闸管导通则会产生很大的冲击电流,这一冲击会直接损坏晶闸管。由于电容器残压不易测量,为了保证电容器平稳投入电网,通常采用以下三种控制策略:第一种采用预充电装置在TSC装置投入电网之前将电容器电压充电至电网电压峰值,然后在电网电压达到峰值的时刻触发晶闸管导通;这种方法不仅需要检测电路来检测电网电压峰值时刻而且需要加入预充电电路,增加了装置的复杂性和成本。第二种是当电网电压为零时投入电容器,这种方法也需要电网电压检测电路而且由于受到电容器自放电时间的限制,无法实现电容器在短时间内的连续多次投切,影响了对电网无功需求地响应速度。第三种是通过检测装置检测晶闸管端电压,在晶闸管端电压过零点时刻也就是电网电压与电容器残压相等的时刻触发晶闸管导通,将电容器平稳投入电网,这种方法仅需检测晶闸管端电压的过零点,而且可实现电容器残压为任意值时均能将其平稳投入电网的功能,因此是一种比较优化的方案。
目前实现晶闸管端电压过零点检测的方式大多是采用MOC3083芯片。但由于其耐压水平的限制,只能适用于380V及以下配电系统,而且可能会出现误触发烧毁晶闸管的现象。因此设计一种可靠的、经济的、适用电压等级高的晶闸管端电压过零检测触发装置是目前亟待解决的问题。
公开号为CN1347180的中国专利公开了一种采用霍尔元件将晶闸管端电压降压后再进行过零点判断的方法,但高电压等级的霍尔元件成本较高,体积较大,限制了装置的适用范围。孙福泉等在标题为基于MOC3083的误触发原理分析及改进方法(电力电子技术,2009年第43卷第1期,52-54页)的文献中公开了一种采用光耦与限流电阻组合的方法来检测晶闸管端电压过零信号,但该技术存在过零点判断误差大,以及光耦限流电阻功耗高等缺陷。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题,本发明提供了一种基于非线性取样的晶闸管过零触发装置,适用电压等级高、体积小、触发精度高。
一种基于非线性取样的晶闸管过零触发装置,包括:
整流单元,用于将晶闸管两端的双极性电压信号转换为单极性电压信号;
非线性取样单元,用于对所述的单极性电压信号进行无相移稳压限幅取样;
过零检测单元,用于检测稳压限幅取样后单极性电压信号的过零点,得到电压过零信号;
锁存单元,用于根据外部给定的投切指令对电压过零信号进行锁存,输出使能信号;
脉冲发生单元,用于根据所述的使能信号输出高频脉冲串信号以触发所述的晶闸管。
优选地,所述的锁存单元通过光耦隔离单元接收电压过零信号,能够实现主功率电路与信号处理电路的隔离功能。
优选地,所述的脉冲发生单元通过脉冲隔离单元输出高频脉冲串信号以触发晶闸管,能够实现主功率电路与信号处理电路的隔离功能。
所述的整流单元由四个二极管D1~D4组成;其中,二极管D1的阴极与二极管D2的阴极相连且为整流单元的正输出端,二极管D1的阳极与二极管D3的阴极相连,二极管D3的阳极与二极管D4的阳极相连且为整流单元的负输出端,二极管D2的阳极与二极管D4的阴极相连。
所述的非线性取样单元由限流电阻R1和瞬态抑制二极管D5组成;其中,限流电阻R1的一端与整流单元的正输出端相连,限流电阻R1的另一端与瞬态抑制二极管D5的阴极相连且为非线性取样单元的正输出端,瞬态抑制二极管D5的阳极与整流单元的负输出端相连且为非线性取样单元的负输出端。
所述的过零检测单元由限流电阻R2、泄放电阻R3、稳压二极管D6和三极管Q组成;其中,限流电阻R2的一端与非线性取样单元的正输出端相连,限流电阻R2的另一端与稳压二极管D6的阴极相连,稳压二极管D6的阳极与泄放电阻R3的一端和三极管Q的基极相连,泄放电阻R3的另一端与三极管Q的发射极和非线性取样单元的负输出端相连,三极管Q的集电极为过零检测单元的输出端。
所述的光耦隔离单元采用光电耦合器。
所述的锁存单元由一反相器和一D触发器组成;其中,反相器的输入端接收过零检测单元输出的电压过零信号,反相器的输出端与D触发器的输入端相连,D触发器的输出端为锁存单元的输出端,D触发器的使能端接收外部给定的投入信号。
所述的脉冲发生单元采用555振荡器。
所述的脉冲隔离单元采用脉冲变压器。
本发明输入端直接接至晶闸管的阳极与阴极,采集晶闸管端电压信号。端电压信号经由整流单元后由双极性信号变为单极性信号,送入非线性取样单元进行无相移稳压限幅取样。取样后得到的低电压信号由三极管构成的过零检测单元检测出电压过零信号,经光耦隔离后送入锁存单元。锁存单元的使能信号是外部给定的晶闸管投切电容器装置投入信号,使能信号为高电平后,在下一个晶闸管端电压过零点,锁存单元锁存光耦隔离环节输出的晶闸管端电压过零信号,输出启动振荡器信号。随后振荡器产生高频脉冲串信号,经由脉冲变压器隔离后送至晶闸管的门极和阴极,驱动晶闸管导通,进而将电容器平稳的投入电网。
本发明的有益技术效果如下:
(1)本发明具有输入电压范围宽、过零点判断准确的特点,其无需采用霍尔元件或分压取样等线性取样方式将主电路电压等比例降到低电压后再进行电压过零点的判断,避免了由于降压过程中电压幅值与相位的偏移导致误判断过零点情况地出现,降低了装置成本,缩小了装置体积。
(2)本发明不需采用单片机、过零比较器等数字芯片进行晶闸管端电压过零点判断,仅仅采用三极管、稳压管等无源模拟元件即实现了此功能,简化了电路设计,提高了电路抗干扰能力。
(3)本发明采用非线性取样单元,拓宽了电路的输入电压范围,同时避免了过零检测单元中三极管工作点随主电路电压大范围变化。
(4)本发明具有无源元件功耗小的特点,其采用三极管与光耦的组合来检测电压过零信号,在避免能量浪费的同时,提高了装置紧凑度;光耦芯片将数字信号处理电路与TSC装置主电路隔离,提高了电路的抗干扰能力,增强了电路工作的可靠性。
(5)本发明可精确判断TSC装置中晶闸管端电压的过零点,采用本发明的TSC装置具有电容器投入电网时无冲击电流的特点,避免了冲击电流对晶闸管及电容器造成损伤,提高了装置寿命。
(6)本发明优化了TSC装置的投切方案,取消了传统的必须在电容器残压为零或峰值时才能投入的限定条件,可在电容残压为任意值时(即任意时刻)将TSC装置投入电网,实现了TSC装置在短时间内连续多次投切,提高了对电网无功需求地响应速度。
附图说明
图1为TSC装置的结构示意图。
图2为本发明过零触发装置的结构示意图。
图3a为晶闸管端电压双极性波形示意图。
图3b为晶闸管端电压单极性波形示意图。
图3c为晶闸管端电压稳压限幅取样后的波形示意图。
图3d为电压过零信号的波形示意图。
图3e为电压过零信号光耦隔离后的波形示意图。
图3f为反相器输出电压过零信号的波形示意图。
图3g为外部给定的TSC投入信号以及锁存单元输出振荡器使能信号的波形示意图。
图3h为高频脉冲串信号的波形示意图。
图4为电容器残压为零工况下的实验波形图。
图5为电容器残压为中间值工况下的实验波形图。
图6为电容器残压为峰值工况下的实验波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。
如图1所示,我们以TSC装置作为控制触发对象,其由一对反并联接线的晶闸管TH1~TH2和一电容器C组成。
如图2所示,该TSC装置的过零触发装置包括:整流单元、非线性取样单元、过零检测单元、光耦隔离单元、锁存单元、脉冲发生单元和脉冲隔离单元;其中:
整流单元用于将晶闸管两端的双极性电压信号(如图3a)转换为单极性电压信号(如图3b);本实施方式中,整流单元由四个二极管D1~D4组成;其中,二极管D1的阴极与二极管D2的阴极相连且为整流单元的正输出端,二极管D1的阳极与二极管D3的阴极、晶闸管TH1的阴极和晶闸管TH2的阳极相连,二极管D3的阳极与二极管D4的阳极相连且为整流单元的负输出端,二极管D2的阳极与二极管D4的阴极、晶闸管TH2的阴极和晶闸管TH1的阳极相连。
非线性取样单元用于对单极性电压信号进行无相移稳压限幅取样;本实施方式中,非线性取样单元由限流电阻R1和瞬态抑制二极管D5组成;其中,限流电阻R1的一端与整流单元的正输出端相连,限流电阻R1的另一端与瞬态抑制二极管D5的阴极相连且为非线性取样单元的正输出端,瞬态抑制二极管D5的阳极与整流单元的负输出端相连且为非线性取样单元的负输出端。
非线性取样单元能够保证过零检测单元工作电压变化范围为0-10V。当晶闸管端电压超过15V时,D5导通,其两端电压维持在10V,当晶闸管端电压低于15V时,D5两端电压无法维持在10V,电压持续降低,直至降至0V;经由非线性取样单元稳压限幅取样后得到的信号如图3c所示。
过零检测单元用于检测稳压限幅取样后单极性电压信号的过零点,得到电压过零信号;本实施方式中,过零检测单元由限流电阻R2、泄放电阻R3、稳压二极管D6和三极管Q组成;其中,限流电阻R2的一端与非线性取样单元的正输出端相连,限流电阻R2的另一端与稳压二极管D6的阴极相连,稳压二极管D6的阳极与泄放电阻R3的一端和三极管Q的基极相连,泄放电阻R3的另一端与三极管Q的发射极和非线性取样单元的负输出端相连,三极管Q的集电极为过零检测单元的输出端。
当非线性取样单元输出电压稳定在10V时,三极管Q饱和导通。否则三极管Q将由饱和导通向截止状态转变,随着晶闸管端电压降到低于稳压二极管D6的击穿电压,三极管Q完全截止,得到三极管Q的集电极信号(如图3d)。泄放电阻R3主要是为三极管Q导通时基极存储地电荷提供泄放通路。
光耦隔离单元用于实现主功率电路与信号处理电路的隔离功能,本实施方式中,其由光耦芯片H构建,光耦芯片H的输入端与过零检测单元的输出端相连;经光耦隔离后的电压过零信号如图3e所示。
锁存单元根据外部给定的投切指令对电压过零信号进行锁存,输出使能信号;本实施方式中,锁存单元由一反相器和一D触发器组成;其中,反相器的输入端与光耦芯片H的输出端相连,反相器的输出端与D触发器的输入端相连,D触发器的输出端为锁存单元的输出端,D触发器的使能端接收外部给定的投入信号。
经过反相器后的电压过零信号(如图3f)做为D触发器的输入信号,外部给定的TSC投入信号(如图3g)作为其使能信号,使能信号为高电平后,在下一个晶闸管端电压过零点,锁存器锁存电压过零信号,输出高电平的振荡器使能信号(如图3g),送入脉冲发生单元。
脉冲发生单元用于根据使能信号输出高频脉冲串信号以触发两个晶闸管TH1~TH2;本实施方式中,脉冲发生单元采用555振荡器,555振荡器的使能端与锁存单元的输出端的相连,当接收到锁存单元输出的使能信号后,555振荡器输出脉宽为60μs,占空比为1:2的高频脉冲串(如图3h)。
脉冲隔离单元用于实现主功率电路与信号处理电路的隔离功能,本实施方式中,其由脉冲变压器构建;高频脉冲串经由脉冲放大隔离后同时送到两个晶闸管TH1~TH2的门极和阴极,其中承受正向电压的晶闸管会导通,将电容器C投入电网。
若两个反并联的晶闸管中首先开通的为TH1,TH1的开通使电容器C的电压跟随系统电压而变化,晶闸管端电压保持为1V左右,触发电路会持续发出触发脉冲串。这个状态持续到电网电压为正峰值的时刻,此时晶闸管TH1因电流过零而自然关断,电容电压维持为正峰值。由于触发脉冲串的周期为60μs,这也是晶闸管导通地最大延时时间。在此期间电网电压下降,晶闸管TH2完成由零偏置到正向偏置地转变,具备触发导通条件,在触发脉冲串的作用下TH2导通,从而实现无过渡过程的自然换相。
TSC装置在投入电网前根据电容器残压的不同有三种典型的工况,即电容器残压为零,电容器残压为某个中间值,电容器残压为峰值。本实施方式要在这三种工况下均能准确判断晶闸管端电压的过零点,然后产生触发脉冲串,触发晶闸管导通。在电网电压为690V的系统中进行试验验证。
电容器残压为零工况下试验波形如图4所示:晶闸管端电压信号U为标准的正弦波信号,峰值为975V。TSC装置外部投入命令TSC_ON为高电平后,在下一个晶闸管端电压U过零点,触发电路发出触发脉冲串导通晶闸管,晶闸管电流I开始上升,上升过程平稳,无冲击电流。由图4中的晶闸管端电压过零点附近的局部放大图可见,晶闸管端电压信号U准确降到零时,才开始有电流I流过晶闸管。验证了电容残压为零工况下此电路能够精确判断晶闸管端电压过零点并触发晶闸管导通。
电容器残压为某个中间值工况下试验波形如图5所示:TSC装置外部投入命令TSC_ON为高电平后,在下一个晶闸管端电压U过零点,触发电路发出触发脉冲串导通晶闸管,开始有电流I流过晶闸管,电流幅值平稳上升,无冲击电流。由图5中的晶闸管端电压过零点附近的局部放大图可见,晶闸管端电压信号U准确降到零时,才开始有电流I流过晶闸管。验证了电容残压为某个中间值工况下此电路能够精确判断晶闸管端电压过零点并触发晶闸管导通。
电容器残压为峰值工况下试验波形如图6所示:晶闸管端电压信号U峰值为1950V。TSC装置外部投入命令TSC_ON为高电平后,在下一个晶闸管端电压U过零点,触发电路发出触发脉冲串导通晶闸管,晶闸管电流I开始上升,上升过程平稳,无冲击电流。由图6中的晶闸管端电压过零点附近的局部放大图可见,晶闸管端电压信号U准确降到零时,才开始有电流I流过晶闸管。不仅验证了电容残压为峰值工况下此电路能够精确判断晶闸管端电压过零点并触发晶闸管导通。而且验证了此电路的适用电压等级高,输入电压峰值可以达到近2KV。
Claims (10)
1.一种基于非线性取样的晶闸管过零触发装置,其特征在于,包括:
整流单元,用于将晶闸管两端的双极性电压信号转换为单极性电压信号;
非线性取样单元,用于对所述的单极性电压信号进行无相移稳压限幅取样;
过零检测单元,用于检测稳压限幅取样后单极性电压信号的过零点,得到电压过零信号;
锁存单元,用于根据外部给定的投切指令对电压过零信号进行锁存,输出使能信号;
脉冲发生单元,用于根据所述的使能信号输出高频脉冲串信号以触发所述的晶闸管。
2.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的锁存单元通过光耦隔离单元接收电压过零信号。
3.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的脉冲发生单元通过脉冲隔离单元输出高频脉冲串信号以触发晶闸管。
4.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的整流单元由四个二极管D1~D4组成;其中,二极管D1的阴极与二极管D2的阴极相连且为整流单元的正输出端,二极管D1的阳极与二极管D3的阴极相连,二极管D3的阳极与二极管D4的阳极相连且为整流单元的负输出端,二极管D2的阳极与二极管D4的阴极相连。
5.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的非线性取样单元由限流电阻R1和瞬态抑制二极管D5组成;其中,限流电阻R1的一端与整流单元的正输出端相连,限流电阻R1的另一端与瞬态抑制二极管D5的阴极相连且为非线性取样单元的正输出端,瞬态抑制二极管D5的阳极与整流单元的负输出端相连且为非线性取样单元的负输出端。
6.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的过零检测单元由限流电阻R2、泄放电阻R3、稳压二极管D6和三极管Q组成;其中,限流电阻R2的一端与非线性取样单元的正输出端相连,限流电阻R2的另一端与稳压二极管D6的阴极相连,稳压二极管D6的阳极与泄放电阻R3的一端和三极管Q的基极相连,泄放电阻R3的另一端与三极管Q的发射极和非线性取样单元的负输出端相连,三极管Q的集电极为过零检测单元的输出端。
7.根据权利要求2所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的光耦隔离单元采用光电耦合器。
8.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的锁存单元由一反相器和一D触发器组成;其中,反相器的输入端接收过零检测单元输出的电压过零信号,反相器的输出端与D触发器的输入端相连,D触发器的输出端为锁存单元的输出端,D触发器的使能端接收外部给定的投入信号。
9.根据权利要求1所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的脉冲发生单元采用555振荡器。
10.根据权利要求3所述的晶闸管过零触发装置,其特征在于:所述的脉冲隔离单元采用脉冲变压器。
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