CN108718077B - 一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置及应用方法，装置包括晶闸管过压监测单元、监控与通讯单元、晶闸管触发单元、阻容吸收电路、取能磁环、悬浮取能单元和电源监测单元，悬浮取能单元的输入端分别与阻容吸收电路、取能磁环相连；应用方法包括光触发脉冲采用单脉冲和双脉冲两种方式区分监测与触发控制，脉冲编码简单，避免了因连续多个脉冲形成的脉冲序列在识别上的不正确，而导致晶闸管一直处于导通状态的问题。本发明简单可靠、成本低廉，具备能够满足不同应用条件下晶闸管触发与监控要求，实现对处于高电位的晶闸管单个元件或阀组进行触发、过压保护、状态监测的功能。

Description

一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及电气工程技术，具体涉及一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置及其应用方法，用于实现对高电位的晶闸管单个元件或阀组进行触发、过压保护、状态监测等功能。

背景技术

随着大功率电子电子器件在电网中越来越广泛的应用，出现了将单个晶闸管或多个晶闸管串联组成的阀组作为可控电力电子开关，应用于高电压环境下，如静止无功补偿装置的TCR阀组，串联补偿的旁路阀组等。为了保障晶闸管可靠工作，对晶闸管进行状态监测及控制触发是关键。由于晶闸管运行在高电位，其触发与监控的设计必须解决高压隔离、电路取能困难、兼容强干扰电磁环境等技术难题。通常采用光电变换技术实现信号传输和高电位的隔离，传统的换流阀晶闸管触发与监控采用五脉冲编码方式，阀基电子设备编制五个特征序列的脉冲发送给晶闸管高电位板，来实现触发、状态监测、BOD保护监测等功能，脉冲在识别上要经过复杂的顺序处理，若触发脉冲识别不正确可能造成晶闸管一直处于导通状态，造成换向失败等问题。五脉冲编码方式由于触发控制与状态监测读取在同一序列脉冲中，两者不能单独分开，不适用于串联补偿类设备将晶闸管作为开关使用的工况。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置及其应用方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置，包括晶闸管过压监测单元、监控与通讯单元、晶闸管触发单元、阻容吸收电路、取能磁环、悬浮取能单元和电源监测单元，所述晶闸管过压监测单元的检测端与被监测晶闸管两端的分压电阻并联、输出端与监控与通讯单元相连，所述晶闸管触发单元的控制端与监控与通讯单元相连、输出端与被监测晶闸管的门极相连，所述阻容吸收电路与被监测晶闸管的主回路相连、取能磁环套设在被监测晶闸管的主回路上，所述悬浮取能单元的输入端分别与阻容吸收电路、取能磁环相连，所述悬浮取能单元的输出端分别与晶闸管过压监测单元、监控与通讯单元、晶闸管触发单元、阻容吸收电路、取能磁环、电源监测单元相连，且电源监测单元的输出端与监控与通讯单元相连。

优选地，所述晶闸管过压监测单元包括可调电阻、电压过零比较器和过电压比较器，所述可调电阻的固定端子与被监测晶闸管两端的分压电阻并联，所述电压过零比较器和过电压比较器的输入端分别与可调电阻并联连接、输出端分别与监控与通讯单元相连。

优选地，所述监控与通讯单元包括光脉冲接收电路、脉冲识别与控制模块、系统状态回报模块和光脉冲发射电路，所述光脉冲接收电路、过电压比较器的输出端分别与脉冲识别与控制模块相连，所述脉冲识别与控制模块的输出端分别与晶闸管触发单元、系统状态回报模块相连，所述电压过零比较器、电源监测单元的输出端分别与系统状态回报模块相连，所述系统状态回报模块的输出端与光脉冲发射电路相连。

优选地，所述悬浮取能单元包括二极管D1、稳压管D2、限流电阻R1、限流电路R2、晶闸管G1、二极管D3、储能电容C2以及整流二极管单元D4，被监测晶闸管的阳极、储能电容C2、反向布置的二极管D3、阻容吸收电路、被监测晶闸管的阴极依次相连形成第一取能回路，被监测晶闸管的阳极、二极管D3的阳极两者之间依次并联布置有正向布置的二极管D1、反向布置的晶闸管G1、以及由限流电阻R1和正向布置的稳压管D2构成的串联支路，且限流电路R2一端连接在限流电阻R1和稳压管D2之间、另一端与晶闸管G1的门极相连；所述整流二极管单元D4的输入端与取能磁环的绕组相连、输出端与储能电容C2以及反向布置的二极管D3首尾相连形成第二取能回路。

本发明提供一种前述的高压晶闸管触发控制与状态监测装置的应用方法，实施步骤包括：

1）监控与通讯单元通过光纤通信接口接收来自外部控制的光脉冲信号，并通过单位时间内读取光脉冲信号中脉冲上升沿次数来识别单、双脉冲，如果识别结果为单脉冲，则跳转执行步骤2）；否则如果识别结果为双脉冲，则跳转执行步骤3）；同时，监控与通讯单元通过晶闸管过压监测单元检测被监测晶闸管是否存在过压保护动作强制触发，当被监测晶闸管存在过压保护动作强制触发时，则跳转执行步骤4）；

2）监控与通讯单元根据晶闸管过压监测单元、电源监测单元检测的结果判断被监测晶闸管状态以及悬浮取能单元的供电电压是否正常，如果正常则通过光纤通信接口向外部发送一个第一指定宽度的系统状态回报脉冲响应信号；跳转执行步骤1）；

3）监控与通讯单元不发射脉冲响应信号；跳转执行步骤1）；

4）监控与通讯单元通过光纤通信接口向外部发送一个第二指定宽度的过压保护脉冲响应信号。

和现有技术相比，本发明高压晶闸管触发控制与状态监测装置具有下述有益效果：

1、本发明悬浮取能单元的输入端分别与阻容吸收电路、取能磁环相连，悬浮取能单元包括两种不同的悬浮取能方式，一路电源来自与晶闸管并联的阻容吸收电路，一路电源来自电气主回路的磁环耦合电路，两种取能方式提高了电源可靠性，同时也能满足晶闸管用于串联或并联的不同应用工况，使得晶闸管可以在部分导通或者全导通不同条件下均能正常工作。

2、本发明晶闸管过压监测单元进一步包括可调电阻、电压过零比较器和过电压比较器，所述可调电阻的固定端子与被监测晶闸管两端的分压电阻并联、活动端子分别与电压过零比较器和过电压比较器的输入端相连，所述电压过零比较器和过电压比较器的输出端分别与监控与通讯单元相连，通过电阻分压器与晶闸管两端连接，过电压保护不采用BOD器件，通过比较器电路与设定电压比较实现，且可通过可调电阻根据现场需要改变过电压保护门槛值。过电压保护原理简单可靠、成本低廉，且保护门槛值便于整定。

本发明高压晶闸管触发控制与状态监测装置的应用方法为本发明高压晶闸管触发控制与状态监测装置的应用，其同样也具有本发明高压晶闸管触发控制与状态监测装置方法的前述优点，而且通过发送单、双两种特征脉冲用于晶闸管状态监测和触发控制，两种类型脉冲单独控制，避免了传统脉冲序列方式只有在触发导通时才能监测晶闸管状态，同时这种单、双脉冲方法能够实现对处于串联或并联的不同工况下晶闸管状态实时监控。

附图说明

图1为本发明实施例装置的结构示意图。

图2为本发明实施例中晶闸管过压监测单元的电路示意图。

图3为本发明实施例中监控与通讯单元的电路示意图。

图4为本发明实施例中悬浮取能单元的电路示意图。

图例说明：1、晶闸管过压监测单元；11、可调电阻；12、电压过零比较器；13、过电压比较器；2、监控与通讯单元；21、光脉冲接收电路；22、脉冲识别与控制模块；23、系统状态回报模块；24、光脉冲发射电路；3、晶闸管触发单元；4、阻容吸收电路；5、取能磁环；6、悬浮取能单元；7、电源监测单元。

具体实施方式

如图1所示，本实施例高压晶闸管触发控制与状态监测装置包括晶闸管过压监测单元1、监控与通讯单元2、晶闸管触发单元3、阻容吸收电路4、取能磁环5、悬浮取能单元6和电源监测单元7，晶闸管过压监测单元1的检测端与被监测晶闸管两端的分压电阻并联、输出端与监控与通讯单元2相连，晶闸管触发单元3的控制端与监控与通讯单元2相连、输出端与被监测晶闸管的门极相连，阻容吸收电路4与被监测晶闸管的主回路相连、取能磁环5套设在被监测晶闸管的主回路上，悬浮取能单元6的输入端分别与阻容吸收电路4、取能磁环5相连，悬浮取能单元6的输出端分别与晶闸管过压监测单元1、监控与通讯单元2、晶闸管触发单元3、阻容吸收电路4、取能磁环5、电源监测单元7相连，且电源监测单元7的输出端与监控与通讯单元2相连。如图1所示，阻容吸收电路4由电阻R3和吸收电容C1串联构成，被监测晶闸管两端的分压电阻包括电阻R1和R2，本实施例中晶闸管过压监测单元1的检测端与被监测晶闸管两端的分压电阻R1并联。晶闸管过压监测单元1用于监测晶闸管两端电压并具备过压保护功能，监控与通讯单元2作为晶闸管触发控制与状态监测系统核心处理器通过光纤与后台通讯，晶闸管触发单元3用于触发控制晶闸管，阻容吸收电路4用于通过被监测晶闸管的主回路取能，取能磁环5用于和被监测晶闸管的主回路实现耦合取能，悬浮取能单元6用于高电位条件下自取能，电源监测单元7用于监测电源是否正常。本发明简单可靠、成本低廉，具备能够满足不同应用条件下晶闸管触发与监控要求，实现对处于高电位的晶闸管单个元件或阀组进行触发、过压保护、状态监测的功能。

如图2所示，晶闸管过压监测单元1包括可调电阻11、电压过零比较器12和过电压比较器13，可调电阻11的固定端子与被监测晶闸管两端的分压电阻并联，电压过零比较器12和过电压比较器13的输入端分别与可调电阻11并联连接、输出端分别与监控与通讯单元2相连。因晶闸管一旦损坏则处于短路导通状态，电压过零比较器12通过检测电压正负变化能够反映晶闸管是否正常。过电压比较器13通过与设定电压比较，一旦过压则输出高电平，且可通过可调电阻11根据现场需要改变过电压保护门槛值。晶闸管过压监测单元1通过分压电阻R1与晶闸管两端连接，过电压保护不采用BOD器件，通过比较器电路（电压过零比较器12和过电压比较器13）与设定电压比较实现，且可通过可调电阻11根据现场需要改变过电压保护门槛值，过电压保护原理简单可靠、成本低廉，保护门槛值便于整定。本实施例中，电压过零比较器12和过电压比较器13采用lm2903比较器构成。

如图3所示，监控与通讯单元2包括光脉冲接收电路21、脉冲识别与控制模块22、系统状态回报模块23和光脉冲发射电路24，光脉冲接收电路21、过电压比较器13的输出端分别与脉冲识别与控制模块22相连，脉冲识别与控制模块22的输出端分别与晶闸管触发单元3、系统状态回报模块23相连，电压过零比较器12、电源监测单元7的输出端分别与系统状态回报模块23相连，系统状态回报模块23的输出端与光脉冲发射电路24相连。本实施例中，脉冲识别与控制模块22采用Xilinx公司的FPGA芯片实现，通过单位时间内读取脉冲上升沿次数来识别单、双脉冲，根据双脉冲命令以及晶闸管过电压状态来控制晶闸管触发。如接收到单脉冲查询监控状态，在晶闸管及电源电压等都工作正常时，则通过系统状态回报电路23和光脉冲发射电路24发射一个宽度为5μs光脉冲，若系统存在故障则不发射光脉冲；外部的控制器则根据能否收到回报光脉冲来判断系统状态。当晶闸管存过压保护动作强制触发时，通过系统状态回报电路23产生一个宽度约为10μs光脉冲，外部的控制器可以根据收到的脉冲宽度不同来区分系统状态回报信号和过压保护信号。

如图4所示，悬浮取能单元6包括二极管D1、稳压管D2、限流电阻R1、限流电路R2、晶闸管G1、二极管D3、储能电容C2以及整流二极管单元D4，被监测晶闸管的阳极、储能电容C2、反向布置的二极管D3、阻容吸收电路4、被监测晶闸管的阴极依次相连形成第一取能回路，被监测晶闸管的阳极、二极管D3的阳极两者之间依次并联布置有正向布置的二极管D1、反向布置的晶闸管G1、以及由限流电阻R1和正向布置的稳压管D2构成的串联支路，且限流电路R2一端连接在限流电阻R1和稳压管D2之间、另一端与晶闸管G1的门极相连；整流二极管单元D4的输入端与取能磁环5的绕组相连、输出端与储能电容C2以及反向布置的二极管D3首尾相连形成第二取能回路。本实施例中，整流二极管单元D4为由4个整流二极管组成的全桥二极管整流器。本实施例中电源由两路不同方式的冗余取能电路构成，一路电源来自与晶闸管并联的阻容吸收电路4，当阻容吸收电路4两端呈正向电压时通过二极管D3向储能电容C2充电，只到储能电容C2电压到达60V（稳压管D2的钳位电压）时，晶闸管G1门极电流增大而导通，避免阻容吸收电路4的吸收电容C1对储能电容C2过充。当阻容吸收电路4两端呈反向电压时，直接流过二极管D1，且由于二极管D3使得储能电容不会反方向放电。另外一路电源来自电气主回路的磁环耦合电路，在晶闸管导通后主回路流过电流，通过电磁转换在取能磁环5的绕组上产生交流电压，通过整流电路整流后给储能电容C2充电，同样通过稳压管D2钳位作用防止给储能电容C2造成过充，两种取能方式提高了电源可靠性，同时也能满足晶闸管用于串联或并联的不同应用工况。

本实施例高压晶闸管触发控制与状态监测装置的应用方法的实施步骤包括：

1）监控与通讯单元2通过光纤通信接口接收来自外部控制的光脉冲信号，并通过单位时间内读取光脉冲信号中脉冲上升沿次数来识别单、双脉冲，如果识别结果为单脉冲，则跳转执行步骤2）；否则如果识别结果为双脉冲，则跳转执行步骤3）；同时，监控与通讯单元2通过晶闸管过压监测单元1检测被监测晶闸管是否存在过压保护动作强制触发，当被监测晶闸管存在过压保护动作强制触发时，则跳转执行步骤4）；外部的控制器发送单、双两种特征脉冲给监控与通讯单元2，单脉冲脉宽为5μs，双脉冲为两个脉宽5μs脉冲且中间间隔约5μs，单脉冲用于查询高电位板状态，包括晶闸管是否正常、电源状态等，双脉冲作为触发导通晶闸管的控制命令。单、双脉冲单独控制，避免了传统脉冲序列方式将监控与触发打捆在同一序列脉冲中，只有在触发导通时才能监测晶闸管状态。单、双脉冲的时间控制独立性，能够便于控制器在确认晶闸管及高电位板状态后进行触发控制，能够实现对处于串联或并联的不同工况下晶闸管状态实时监控；

2）监控与通讯单元2根据晶闸管过压监测单元1、电源监测单元7检测的结果判断被监测晶闸管状态以及悬浮取能单元6的供电电压是否正常，如果正常则通过光纤通信接口向外部发送一个第一指定宽度的系统状态回报脉冲响应信号；跳转执行步骤1）；

3）监控与通讯单元2不发射脉冲响应信号；跳转执行步骤1）；

4）监控与通讯单元2通过光纤通信接口向外部发送一个第二指定宽度的过压保护脉冲响应信号。本实施例中，第一指定宽度为5μs，第二指定宽度为10μs，外部控制器可以根据收到的脉冲宽度不同来区分系统状态回报信号和过压保护信号。

本实施例高压晶闸管触发控制与状态监测装置的应用方法的光触发脉冲采用单脉冲和双脉冲两种方式区分监测与触发控制、通过脉冲宽度不同来区分系统状态回报信号和过压保护信号，脉冲编码简单，具备能够满足不同应用条件下晶闸管触发与监控要求，实现对处于高电位的晶闸管单个元件或阀组进行触发、过压保护、状态监测的功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高压晶闸管触发控制与状态监测装置，其特征在于：包括晶闸管过压监测单元（1）、监控与通讯单元（2）、晶闸管触发单元（3）、阻容吸收电路（4）、取能磁环（5）、悬浮取能单元（6）和电源监测单元（7），所述晶闸管过压监测单元（1）的检测端与被监测晶闸管两端的分压电阻并联、输出端与监控与通讯单元（2）相连，所述晶闸管触发单元（3）的控制端与监控与通讯单元（2）相连、输出端与被监测晶闸管的门极相连，所述阻容吸收电路（4）与被监测晶闸管的主回路相连、取能磁环（5）套设在被监测晶闸管的主回路上，所述悬浮取能单元（6）的输入端分别与阻容吸收电路（4）、取能磁环（5）相连，所述悬浮取能单元（6）的输出端分别与晶闸管过压监测单元（1）、监控与通讯单元（2）、晶闸管触发单元（3）、阻容吸收电路（4）、取能磁环（5）、电源监测单元（7）相连，且电源监测单元（7）的输出端与监控与通讯单元（2）相连；所述监控与通讯单元（2）通过光纤通信接口接收来自外部控制的光脉冲信号，并通过单位时间内读取光脉冲信号中脉冲上升沿次数来识别单、双脉冲，如果识别结果为单脉冲，则根据晶闸管过压监测单元（1）、电源监测单元（7）检测的结果判断被监测晶闸管状态以及悬浮取能单元（6）的供电电压是否正常，如果正常则通过光纤通信接口向外部发送一个第一指定宽度的系统状态回报脉冲响应信号；否则如果识别结果为双脉冲，则不发射脉冲响应信号；同时，监控与通讯单元（2）通过晶闸管过压监测单元（1）检测被监测晶闸管是否存在过压保护动作强制触发，当被监测晶闸管存在过压保护动作强制触发时，则通过光纤通信接口向外部发送一个第二指定宽度的过压保护脉冲响应信号。

2.根据权利要求1所述的高压晶闸管触发控制与状态监测装置，其特征在于，所述晶闸管过压监测单元（1）包括可调电阻（11）、电压过零比较器（12）和过电压比较器（13），所述可调电阻（11）的固定端子与被监测晶闸管两端的分压电阻并联，所述电压过零比较器（12）和过电压比较器（13）的输入端分别与可调电阻（11）并联连接、输出端分别与监控与通讯单元（2）相连。

3.根据权利要求2所述的高压晶闸管触发控制与状态监测装置，其特征在于，所述监控与通讯单元（2）包括光脉冲接收电路（21）、脉冲识别与控制模块（22）、系统状态回报模块（23）和光脉冲发射电路（24），所述光脉冲接收电路（21）、过电压比较器（13）的输出端分别与脉冲识别与控制模块（22）相连，所述脉冲识别与控制模块（22）的输出端分别与晶闸管触发单元（3）、系统状态回报模块（23）相连，所述电压过零比较器（12）、电源监测单元（7）的输出端分别与系统状态回报模块（23）相连，所述系统状态回报模块（23）的输出端与光脉冲发射电路（24）相连。

4.根据权利要求1所述的高压晶闸管触发控制与状态监测装置，其特征在于，所述悬浮取能单元（6）包括二极管D1、稳压管D2、限流电阻R1、限流电路R2、晶闸管G1、二极管D3、储能电容C2以及整流二极管单元D4，被监测晶闸管的阳极、储能电容C2、反向布置的二极管D3、阻容吸收电路（4）、被监测晶闸管的阴极依次相连形成第一取能回路，被监测晶闸管的阳极、二极管D3的阳极两者之间依次并联布置有正向布置的二极管D1、反向布置的晶闸管G1、以及由限流电阻R1和正向布置的稳压管D2构成的串联支路，且限流电路R2一端连接在限流电阻R1和稳压管D2之间、另一端与晶闸管G1的门极相连；所述整流二极管单元D4的输入端与取能磁环（5）的绕组相连、输出端与储能电容C2以及反向布置的二极管D3首尾相连形成第二取能回路。

5.一种权利要求1～4中任意一项所述的高压晶闸管触发控制与状态监测装置的应用方法，其特征在于实施步骤包括：

1）监控与通讯单元（2）通过光纤通信接口接收来自外部控制的光脉冲信号，并通过单位时间内读取光脉冲信号中脉冲上升沿次数来识别单、双脉冲，如果识别结果为单脉冲，则跳转执行步骤2）；否则如果识别结果为双脉冲，则跳转执行步骤3）；同时，监控与通讯单元（2）通过晶闸管过压监测单元（1）检测被监测晶闸管是否存在过压保护动作强制触发，当被监测晶闸管存在过压保护动作强制触发时，则跳转执行步骤4）；

2）监控与通讯单元（2）根据晶闸管过压监测单元（1）、电源监测单元（7）检测的结果判断被监测晶闸管状态以及悬浮取能单元（6）的供电电压是否正常，如果正常则通过光纤通信接口向外部发送一个第一指定宽度的系统状态回报脉冲响应信号；跳转执行步骤1）；

3）监控与通讯单元（2）不发射脉冲响应信号；跳转执行步骤1）；

4）监控与通讯单元（2）通过光纤通信接口向外部发送一个第二指定宽度的过压保护脉冲响应信号。

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