第30卷第6期2010年6月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol.30No .6Jun. 2010
一种用于中高压静止无功补偿的晶闸管
光纤触发改进电路及其设计
宁志毫1,罗隆福1,张
杰1,曾海林1,周宏宇1,李
勇1,2
(1. 湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;
2. 德国多特蒙德工业大学电力系统与电力经济研究所,德国多特蒙德44227)
摘要:为更好地解决晶闸管阀触发系统的高电压隔离问题,设计了一种可用于中高压静止无功补偿设备的晶闸管高位耦合取能与光纤触发系统。给出了光纤触发系统的结构,在实用的晶闸管过零检测电路基础上,对高位耦合取能电路进行了分析与设计,运用OrCAD /PSpice 软件,针对RC 回路参数对充电电路的影响进行了仿真,并根据取能电路的特点设计了晶闸管脉冲放大电路。光纤收发器采用HFBR-x4xx 系列,利用光纤实现了高低压的电气隔离,有效提高了触发系统的抗干扰能力。仿真和实验结果表明了取能电路的可靠性和稳定性、脉冲放大电路的简单实用和低成本等特点以及光纤触发系统的抗干扰能力强、分散性小等优点,特别适用于中高压无功补偿用晶闸管的触发。
关键词:静止无功补偿;触发系统;高位取能;脉冲放大;光纤发送器;电气隔离中图分类号:TN 344;TN 929.11
文献标识码:A
文章编号:1006-6047(2010)06-0031-05
0引言
DSP 过零检测高位取能
为了实现精确、快速的稳定控制,核心功率器件的同步触发技术是十分重要的[1-2]。然而,传统的触发电路由于电气隔离问题不能很好地应用于高压系统。
目前,静止无功补偿技术在应用于中高压系统时,其核心功率器件(晶闸管)一般采用串联分压技术组成晶闸管阀组接入系统[3-5],而其触发控制系统属于低压弱电系统,必须通过高低压电气隔离技术实现触发脉冲信号的长距离传输,解决高低压电气隔离和电磁干扰问题[6-10]。随着现代光纤通信技术的发展,光纤通信已逐渐应用于中高压触发控制系统[11-13]。
本文将基于现有取能和触发电路,提出并设计一种新型的独立高位耦合取能电路,解决晶闸管导通时不能充电的缺点,并根据所设计的取能电路,进一步地提出并设计一套简单实用的中高压系统晶闸管光纤触发系统,并分别通过仿真和实验验证所设计触发系统的正确性和可靠性。
光纤发送器
光纤
光纤接收器脉冲放大
图1光纤触发系统结构图
Fig.1Structure of optical fiber trigger system
1
1.1
光纤传输电路及其触发控制系统
总体结构
光纤触发系统的结构图如图1所示,主要包括光纤触发系统的过零检测电路、光纤传输电路、高位取能电路和脉冲放大电路4个部分。其中,静止无功补偿装置通常是由一对反并联的晶闸管阀组作为控制
收稿日期:2009-12-14;修回日期:2010-03-07
基金项目:湖南省重大科技专项资助项目(06GK1003-1);湖南
()
器件来投切电容器或控制电抗器,它就像一个双向开关,分别在电源电压的正负半波导通。晶闸管阀两端电压的过零时刻是其触发角的计算起点,同时也可检测电容器端电压过零点作为投切电容器的投切时刻[14-15]。过零检测信号取自于晶闸管两端,通过整形输出为一个方波信号,其对应电源的正负半波信号,送入DSP 产生相应的脉冲信号。通过光纤将脉冲信号传送至高压侧,经过脉冲放大电路将触发信号调制到一定的电压和电流值从而实现晶闸管的开通控制,这里高压侧需采用高位耦合取能电源供电。1.2光纤传输电路
传统的光耦和脉冲变压器的隔离电压最高仅有6000V 左右,不能实现真正意义上的高电压隔离,而光纤触发技术最大的优点就是高压隔离,它的隔离电压可以说没有限制,只要选择合适的光纤收发器和光纤长度,就可以适用于各个电压等级的晶闸管触发。随着光纤技术的迅速发展,光纤的控制精度不断提高,性能更加稳定,性价比更高,逐渐成为高压触发电路的首选产品。
本文采用HFBR-1412和HFBR-2412分别作为光纤的发送器和接收器,它们都有标准的接口,便于。2。其
电力自动化设备
中,光纤发送端采用电源模块供电,通过光耦与DSP 实现隔离;光纤接收器应用耦合取能电源供电。
5V R 1
脉冲
第30卷
一样的,因此它们的触发时刻和触发信号也就相同,每条支路只需要一个过零触发电路去判断电源正负半波,完成晶闸管触发时刻的检测。
HFBR-1412发送器
HFBR-2412接收器
输出
27光纤
26Vcc C 1
2
2.1
高位耦合取能改进电路
图2光纤传输电路
Fig.2Transmission circuit with optical fiber
对于光纤发射端,电阻R 1值的选取一定要满足要求,否则不能很好实现脉冲的可靠传输。本文选择62.5μm /125μm 光纤,当传输距离为400m 时,需要的驱动电流为15mA ,发射端二极管的最大正向电压为1.5V ,供电电源为5V ,因此可通过以下公式计算电阻R 1的值:
(1)R 1=(5V -1.5V )/15mA
光纤传输前后信号的畸变情况是检验光纤传输质量的最重要指标,因此这里有必要对传输前后信号波形进行对比,以判断光纤传输电路的可靠性。本文实验电路的光纤传输具体波形对比如图3所示,可以看出传输后波形没有明显的畸变和延迟,传输质量高,可以满足晶闸管触发要求。
1V /d i v
传输前脉冲
常用耦合取能电路
常用的晶闸管取能电路如图5所示[11]。为了减小关断开关损耗和限制晶闸管端电压变化率过大,确保晶闸管安全运行,常在晶闸管两端并联一个RC 阻容吸收电路,如图中R g 、C g 。当晶闸管处于截止状态时,可以通过R g 、C g 不断地向C s 充电,C s 上的电压经过一定的限幅稳压后,即可得到一个稳定直流电源。耦合取能电路在晶闸管处于正向压降期间能很好地工作,但当晶闸管处于导通状态时,其两端的电压只有2V 左右,不能继续给C s 充电,从而不能保证充电电源在正负半波都可靠工作。
C g
V TH
R g
V D1
V D2
C s
Vcc
图5高位取能电路
Fig.5Charging circuit
传输后脉冲
为了克服上述电路的缺点,保证晶闸管关断和开通2种情况下取能电路都能正常工作,文献[11]在图5的耦合取能电路基础上做进一步改进,即在主电路中串联一个电流变换器T c ,如图6所示。
C g
V TH
R g
Vcc
V D2
V D1
限幅电路
2V /d i v
t :250μs /div
图3光纤传输前、后信号波形对比
Fig.3Comparison of waveforms before
and after fiber transmission
T c V T1
C s
1.3
晶闸管过零检测电路
晶闸管过零检测的电路结构如图4所示。其中,高压电压互感器用于将高压侧的线电压转换为低压线电压,R 1、R 2为大电阻,主要起限流作用,通过比较器和光耦产生电压过零信号,送入DSP 处理芯片,作为晶闸管触发角的计时时刻。这里,±12V 电源采用电源模块供电,3.3V 电源采用DSP 电源,通过光耦实现模电与数电的隔离,保证DSP 的安全运行。由于整个晶闸管阀正反向的每个晶闸管的电源电压是
+12V
R 1
D1
R 2
V D2
R 3
LM3586-12V
R 47
R 5
R 6
+3.3V
图6带电流变压器的高位取能电路
Fig.6Charging circuit with current transformer
图4晶闸管过零检测电路
Fig.4-当晶闸管处于截止状态时,由R g 、C g 进行电压耦合取能,为触发电路提供电源。晶闸管导通之后,由电流变换器T c 来接替耦合取能的任务,进行电流耦合取能。通过相应的限幅电路,即可得到稳定的直流供电电源。这样,在晶闸管导通和截止2种工作状态下,分别由电感进行电流耦合取能和电容进行电压耦合取能,以此保证触发电路在任何状态下都能正常工作,满足触发电路供电要求。但是,此电路由于需要电流互感器,增加了触发电路的成本,也不能保证取能电路的可靠性。2.2改进高位取能电路
本文在前面研究的基础上,针对晶闸管导通时不能充电的问题,对图6取能电路做了改进,提出了采用正反2路充电电路分别对正反2个晶闸管供电,
第6期
宁志毫
,等:一种用于中高压静止无功补偿的晶闸管光纤触发改进电路及其设计
要用普通电阻、电容代替晶闸管的阻容保护电阻、电容实现充电,以方便充电电路参数的选择。本文采用阻容保护电阻、电容充电,其电路图如图7所示,该图只给出了承受正向电压晶闸管的充电电路。
C 1R 1
V TH
V TH2
V D1
R 2
C 2
V D2
C 4
R 3
V D3
图7改进耦合取能电路
Fig.7Advanced charging circuit
图7中,V TH 为主晶闸管,R 1、C 1为其阻容保护电阻、电容。当V TH 处于正向阻断时,电路将通过R 1、C 1、V D3向C 4充电,当C 4的电压超过稳压二极管V D2的限幅值使V D2击穿,触发晶闸管V TH2导通,从而实现电源的稳压限幅。由于电源没有放电回路,因此可以保证充电直流电压的稳定。当V TH2触发导通后,此充电电路将不再工作,但是晶闸管的触发脉冲只需要几十微秒,因此C 4储存的电量足以触发V TH 。当V TH 处于反向阻断时,需要另外一套充电电路进行充电,充电电路原理与前面一样,单独对另一路晶闸管提供电源。图中V D1的作用是晶闸管导通期间为电容C 1提供放电回路,确保下个周期充电电路的正常工作。因此,本电路无论反并联晶闸管通断与否都可以可靠地提供晶闸管触发电源,从而解决了高位取能的问题。
需要说明的是,对于不同的场合,图7中阻容保护电阻、电容可以由别的电阻和电容替代,这样其电阻电容值就可以根据具体情况而设定,能够灵活改变充电时间等,从而满足不同的实际需要。
对于1200V 、100A 的晶闸管,额定门极电流80mA ,门极电压为1.8V ,为了晶闸管在任何时刻均能可靠触发,这里选择其门极触发脉冲电流为200mA ,触发脉冲宽度为40μs ,从而可得晶闸管触发需要的电量为
(2)Q =200×10-3×40×10-6=8×10-6(C )
充电电源储存的能量应留有一定的裕度,这里选择其为触发能量的3倍,可得充电电容的值为
(3)C 4=3Q /U =3×8×10-6/12=2(μF )
这里选择C 4的值为2.2μF 。
在选取了充电电容值之后,由于功率补偿用晶闸管的触发角在90°~180°范围,因此为保证光纤触发系统的正常、可靠工作,有必要验证取能电路在晶闸管触发之前完成充电,即取能电路的充电时间t
(4)i U T /X 令充电电容C 4的充电电压设定值为u ,则其充
电电荷为
(5)Q =uC 4=i t
其中,t 为充电时间。
由式(4)(5)联合可得:
(6)t =uX C C 4/U T
根据选择的晶闸管,其阻容电容为0.22μF ,在220V 的电路中充电到12V ,可以由式(6)计算得到充电时间为1.7ms ,其足以满足功率补偿用晶闸管的触发电源要求。
2.3仿真与实验验证
根据前面分析,应用OrCAD /PSpice 建立了图7所示的仿真模型,对所设计的取能电路进行仿真。由式(6)可知,影响充电电路的因素主要有充电电压设定值、RC 回路的容抗、充电电容值以及晶闸管的端电压等几个因素,本文重点对RC 回路的参数对充电电路的影响进行仿真分析。如前面所述,RC 回路可视为容性,电阻的影响很小,可忽略不计,因此,通过式(6)可得充电电路充电时间t 随阻容电容值的增大而减小。图8、图9分别为阻容电容取0.22μF 、0.5μF 时取能电路电压仿真波形,从图中可以看出,阻容电容取0.22μF 时充电时间t 大约为2ms ,这与前面计算值1.7ms 十分接近;而阻容电容取0.5μF 时,充电时间t 减小至1ms 左右。可见,仿真结果与前面电路分析结论一致。
12U /V
60
5
10t /ms
1520
图8C 1=0.22μF 时仿真波形
Fig.8Simulative waveform with C 1=0.22μF
12U /V
60
5
10t /ms
1520
图9C 1=0.5μF 时仿真波形
Fig. 9Simulative waveform with C 1=0.5μF
为了验证改进后耦合取能电路的正确性和可靠性,本文搭建了具体的实验电路。其中,晶闸管型号为GP -100,阻容保护电路中电阻值为25Ω,电容值0.22μF 。根据图7的电路,电容C 4两端的直流电压实测波形如图10所示,可以看出获得的直流电源不仅达到了设计的幅值,而且具有很好的稳定性和较小的纹波系数,完全能够满足触发电路的要求。
3
3.1
触发脉冲放大电路
电路结构
根据前面所述触发电路的要求,结合本文充电电,其具
电力自动化设备
第30卷
触发前波形
U d c :5V /d i v
U G :5V /d i v
触发后波形
t :1ms /div t :5ms /div
图10直流电源波形图12触发前、后门极脉冲
Fig.10Waveform of DC power supply Fig.12Gate pulses before and after triggering
有成本低、运行可靠等特点,图11为具体的电路图。
设计所用的光纤接收器的工作电压不超过7V ,因此需要对所充电电路获得的电源进行设计,这里通过稳压得到一个5V 的直流电源,以满足光纤接收器的电源要求,保证光纤传输的正常工作。由于光纤接收端仅在几十微秒内导通,因此要保证光纤不工作期间电源的稳定,避免晶闸管导通期间有电能释放。
光纤传输后的信号,正是控制晶闸管导通的控制信号,这里需要设计一个驱动电路以便实现触发脉冲的放大和晶闸管的开通控制。鉴于所用电源具有不宜放电的特点,因此驱动电路要尽量少的元件和回路,以保证电源的可靠性和稳定性。图11中,TTL OUT 为光纤接收器的输出端,其不导通时为高电平,导通后为1V 的低电平信号,从而控制光耦的开断;为了使得晶闸管快速可靠导通,驱动电流要大一些,一般为额定门极触发电流的几倍到十几倍;通过计算R 2和R 3的值,使得三极管V T 饱和导通,其输出电流为200mA 。电容C 2的值要取得小一些,减小触发脉冲的上升时间。
5V R 1
TTL OUT
12V R 2R 3
V T R 4
C 2
V D2V D1
V TH
U G :2V /d i v
t :10μs /div
图13门极触发信号的上升沿波形
Fig.13Waveform of uprising edge of gate pulse
4结论
本文从工程实用的角度分析并设计了一种可用于中高压静止无功补偿装置的晶闸管光纤传输与触发控制系统,主要包括过零触发、脉冲放大、光纤传输和高位取能4个部分电路。以满足电磁兼容要求,并有效实施高低压电气隔离和稳定可靠运行为前提,设计了每个部分的电路结构以及具体的元件参数,并通过仿真和实验验证了所提出的光纤触发系统的正确性与可靠性,并由此表明:
a. 取能电路采用正负晶闸管分别取能供电,避开了晶闸管导通时不能取电的缺点,可有效保证晶闸管触发系统供电电源的可靠运行和抗电磁干扰能力;
b. 脉冲放大电路简单可靠,只需几个元器件即可,且其价格低廉,相比于采用脉冲变压器,可极大节约装置制造成本。参考文献:
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取单元[J ]. 电力电子技术,2009,43(1):46-48.
图11脉冲隔离放大电路
Fig.11Isolated pulse amplifying circuit
3.2
试验验证
根据前面触发电路的要求,通过具体的实验来验证所设计的电路的各项性能指标。触发脉冲波形如图12所示,触发电流200mA ,幅值接近12V ,门极触发电压和触发电流都满足要求。晶闸管不触发时,其加在门极的电压是断开的,可以满足低于0.15V 的要求,避免晶闸管的误触发。图13为门极触发信号的上升沿波形,从图中可以看出其具有很陡的上升沿,上升时间为5.76μs ,满足上升时间小于10μs 的要求,晶闸管触发脉冲的宽度这里选择为50μs 。通过以上的实验和分析,证明脉冲放大电路的正确性
。
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(责任编辑:柏英武)
作者简介
:
宁志毫(1983-),男,河南洛阳人,博士研究生,研究方向为基于新型换流变压器的交直流电能变换系统与装备及其效率分析、谐波抑制技术和无功功率补偿等(E-mail :[email protected]);
罗隆福(1962-),男,湖南常德人,教授,博士研究生导师,研究方向为现代电器设备
宁志毫的设计和优化、新型换流变压器的研制和高压直流输电新理论研究、高效节能型交直流电能变换技术与装备(E-mail :[email protected]);
张杰(1978-),男,湖南怀化人,博士研究生,研究方向为新型换流变压器的建模、故障分析和保护原理研究;
曾海林(1982-),男,湖南郴州人,硕士研究生,研究方向为现代电力电子技术理论及应用以及电力系统谐波抑制和无功补偿;
周宏宇(1981-),男,湖南长沙人,硕士研究生,研究方向为现代电器设备的设计、优化及仿真,自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器的研制及对应的高压直流输电新理论研究工作;
李勇(1982-),男,河南信阳人,博士研究生,研究方向为基于新型换流变压器的直流输电系统新理论、电能质量控制与电能经济管理技术及相关HVDC &FACTS 技术。
Design of optical fiber trigger system for thyristor in medium -high voltage
static reactive power compensation
NING Zhihao 1,LUO Longfu 1,ZHANG Jie 1,ZENG Hailin 1,ZHOU Hongyu 1,LI Yong 1,2
(1. College of Electrical and Information Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China ;2. Institute for Power Systems and Power Economics ,TU Dortmund ,Dortmund 44227,Germany )
Abstract :To better realize the high -voltage isolation, a self -powered optical fiber trigger system of thyristor valves is designed for the static reactive power compensation of medium -high voltage system. Its structure is presented and its charging circuit is analyzed based on the practical zero -detection circuit. The influence of RC parameters on the charging circuit is simulated with OrCAD /PSpice and the pulse amplifying circuit is designed according to it. The optical fiber transceiver of HFBR -x4xx series is applied to realize the electric isolation between high and low voltages and to effectively improve the anti -interference performance of trigger system. The reliability and stability of charging circuit, the simplicity and low -cost of pulse amplifying circuit and the better anti -interference performance and less dispersion of optical fiber trigger system are proved by the simulative and experimental results.
This work is supported by Hunan Provincial Foundation for Key Scientific and Technological Project (06GK1003-1)and Hunan Provincial Innovation Fund for Graduate Student (521298295).
Key words :static reactive power compensation ;trigger system ;self -powered ;pulse amplification ;fiber optics transmitter ;electric isolation
第30卷第6期2010年6月
电力自动化设备
Electric Power Automation Equipment
Vol.30No .6Jun. 2010
一种用于中高压静止无功补偿的晶闸管
光纤触发改进电路及其设计
宁志毫1,罗隆福1,张
杰1,曾海林1,周宏宇1,李
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(1. 湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙410082;
2. 德国多特蒙德工业大学电力系统与电力经济研究所,德国多特蒙德44227)
摘要:为更好地解决晶闸管阀触发系统的高电压隔离问题,设计了一种可用于中高压静止无功补偿设备的晶闸管高位耦合取能与光纤触发系统。给出了光纤触发系统的结构,在实用的晶闸管过零检测电路基础上,对高位耦合取能电路进行了分析与设计,运用OrCAD /PSpice 软件,针对RC 回路参数对充电电路的影响进行了仿真,并根据取能电路的特点设计了晶闸管脉冲放大电路。光纤收发器采用HFBR-x4xx 系列,利用光纤实现了高低压的电气隔离,有效提高了触发系统的抗干扰能力。仿真和实验结果表明了取能电路的可靠性和稳定性、脉冲放大电路的简单实用和低成本等特点以及光纤触发系统的抗干扰能力强、分散性小等优点,特别适用于中高压无功补偿用晶闸管的触发。
关键词:静止无功补偿;触发系统;高位取能;脉冲放大;光纤发送器;电气隔离中图分类号:TN 344;TN 929.11
文献标识码:A
文章编号:1006-6047(2010)06-0031-05
0引言
DSP 过零检测高位取能
为了实现精确、快速的稳定控制,核心功率器件的同步触发技术是十分重要的[1-2]。然而,传统的触发电路由于电气隔离问题不能很好地应用于高压系统。
目前,静止无功补偿技术在应用于中高压系统时,其核心功率器件(晶闸管)一般采用串联分压技术组成晶闸管阀组接入系统[3-5],而其触发控制系统属于低压弱电系统,必须通过高低压电气隔离技术实现触发脉冲信号的长距离传输,解决高低压电气隔离和电磁干扰问题[6-10]。随着现代光纤通信技术的发展,光纤通信已逐渐应用于中高压触发控制系统[11-13]。
本文将基于现有取能和触发电路,提出并设计一种新型的独立高位耦合取能电路,解决晶闸管导通时不能充电的缺点,并根据所设计的取能电路,进一步地提出并设计一套简单实用的中高压系统晶闸管光纤触发系统,并分别通过仿真和实验验证所设计触发系统的正确性和可靠性。
光纤发送器
光纤
光纤接收器脉冲放大
图1光纤触发系统结构图
Fig.1Structure of optical fiber trigger system
1
1.1
光纤传输电路及其触发控制系统
总体结构
光纤触发系统的结构图如图1所示,主要包括光纤触发系统的过零检测电路、光纤传输电路、高位取能电路和脉冲放大电路4个部分。其中,静止无功补偿装置通常是由一对反并联的晶闸管阀组作为控制
收稿日期:2009-12-14;修回日期:2010-03-07
基金项目:湖南省重大科技专项资助项目(06GK1003-1);湖南
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器件来投切电容器或控制电抗器,它就像一个双向开关,分别在电源电压的正负半波导通。晶闸管阀两端电压的过零时刻是其触发角的计算起点,同时也可检测电容器端电压过零点作为投切电容器的投切时刻[14-15]。过零检测信号取自于晶闸管两端,通过整形输出为一个方波信号,其对应电源的正负半波信号,送入DSP 产生相应的脉冲信号。通过光纤将脉冲信号传送至高压侧,经过脉冲放大电路将触发信号调制到一定的电压和电流值从而实现晶闸管的开通控制,这里高压侧需采用高位耦合取能电源供电。1.2光纤传输电路
传统的光耦和脉冲变压器的隔离电压最高仅有6000V 左右,不能实现真正意义上的高电压隔离,而光纤触发技术最大的优点就是高压隔离,它的隔离电压可以说没有限制,只要选择合适的光纤收发器和光纤长度,就可以适用于各个电压等级的晶闸管触发。随着光纤技术的迅速发展,光纤的控制精度不断提高,性能更加稳定,性价比更高,逐渐成为高压触发电路的首选产品。
本文采用HFBR-1412和HFBR-2412分别作为光纤的发送器和接收器,它们都有标准的接口,便于。2。其
电力自动化设备
中,光纤发送端采用电源模块供电,通过光耦与DSP 实现隔离;光纤接收器应用耦合取能电源供电。
5V R 1
脉冲
第30卷
一样的,因此它们的触发时刻和触发信号也就相同,每条支路只需要一个过零触发电路去判断电源正负半波,完成晶闸管触发时刻的检测。
HFBR-1412发送器
HFBR-2412接收器
输出
27光纤
26Vcc C 1
2
2.1
高位耦合取能改进电路
图2光纤传输电路
Fig.2Transmission circuit with optical fiber
对于光纤发射端,电阻R 1值的选取一定要满足要求,否则不能很好实现脉冲的可靠传输。本文选择62.5μm /125μm 光纤,当传输距离为400m 时,需要的驱动电流为15mA ,发射端二极管的最大正向电压为1.5V ,供电电源为5V ,因此可通过以下公式计算电阻R 1的值:
(1)R 1=(5V -1.5V )/15mA
光纤传输前后信号的畸变情况是检验光纤传输质量的最重要指标,因此这里有必要对传输前后信号波形进行对比,以判断光纤传输电路的可靠性。本文实验电路的光纤传输具体波形对比如图3所示,可以看出传输后波形没有明显的畸变和延迟,传输质量高,可以满足晶闸管触发要求。
1V /d i v
传输前脉冲
常用耦合取能电路
常用的晶闸管取能电路如图5所示[11]。为了减小关断开关损耗和限制晶闸管端电压变化率过大,确保晶闸管安全运行,常在晶闸管两端并联一个RC 阻容吸收电路,如图中R g 、C g 。当晶闸管处于截止状态时,可以通过R g 、C g 不断地向C s 充电,C s 上的电压经过一定的限幅稳压后,即可得到一个稳定直流电源。耦合取能电路在晶闸管处于正向压降期间能很好地工作,但当晶闸管处于导通状态时,其两端的电压只有2V 左右,不能继续给C s 充电,从而不能保证充电电源在正负半波都可靠工作。
C g
V TH
R g
V D1
V D2
C s
Vcc
图5高位取能电路
Fig.5Charging circuit
传输后脉冲
为了克服上述电路的缺点,保证晶闸管关断和开通2种情况下取能电路都能正常工作,文献[11]在图5的耦合取能电路基础上做进一步改进,即在主电路中串联一个电流变换器T c ,如图6所示。
C g
V TH
R g
Vcc
V D2
V D1
限幅电路
2V /d i v
t :250μs /div
图3光纤传输前、后信号波形对比
Fig.3Comparison of waveforms before
and after fiber transmission
T c V T1
C s
1.3
晶闸管过零检测电路
晶闸管过零检测的电路结构如图4所示。其中,高压电压互感器用于将高压侧的线电压转换为低压线电压,R 1、R 2为大电阻,主要起限流作用,通过比较器和光耦产生电压过零信号,送入DSP 处理芯片,作为晶闸管触发角的计时时刻。这里,±12V 电源采用电源模块供电,3.3V 电源采用DSP 电源,通过光耦实现模电与数电的隔离,保证DSP 的安全运行。由于整个晶闸管阀正反向的每个晶闸管的电源电压是
+12V
R 1
D1
R 2
V D2
R 3
LM3586-12V
R 47
R 5
R 6
+3.3V
图6带电流变压器的高位取能电路
Fig.6Charging circuit with current transformer
图4晶闸管过零检测电路
Fig.4-当晶闸管处于截止状态时,由R g 、C g 进行电压耦合取能,为触发电路提供电源。晶闸管导通之后,由电流变换器T c 来接替耦合取能的任务,进行电流耦合取能。通过相应的限幅电路,即可得到稳定的直流供电电源。这样,在晶闸管导通和截止2种工作状态下,分别由电感进行电流耦合取能和电容进行电压耦合取能,以此保证触发电路在任何状态下都能正常工作,满足触发电路供电要求。但是,此电路由于需要电流互感器,增加了触发电路的成本,也不能保证取能电路的可靠性。2.2改进高位取能电路
本文在前面研究的基础上,针对晶闸管导通时不能充电的问题,对图6取能电路做了改进,提出了采用正反2路充电电路分别对正反2个晶闸管供电,
第6期
宁志毫
,等:一种用于中高压静止无功补偿的晶闸管光纤触发改进电路及其设计
要用普通电阻、电容代替晶闸管的阻容保护电阻、电容实现充电,以方便充电电路参数的选择。本文采用阻容保护电阻、电容充电,其电路图如图7所示,该图只给出了承受正向电压晶闸管的充电电路。
C 1R 1
V TH
V TH2
V D1
R 2
C 2
V D2
C 4
R 3
V D3
图7改进耦合取能电路
Fig.7Advanced charging circuit
图7中,V TH 为主晶闸管,R 1、C 1为其阻容保护电阻、电容。当V TH 处于正向阻断时,电路将通过R 1、C 1、V D3向C 4充电,当C 4的电压超过稳压二极管V D2的限幅值使V D2击穿,触发晶闸管V TH2导通,从而实现电源的稳压限幅。由于电源没有放电回路,因此可以保证充电直流电压的稳定。当V TH2触发导通后,此充电电路将不再工作,但是晶闸管的触发脉冲只需要几十微秒,因此C 4储存的电量足以触发V TH 。当V TH 处于反向阻断时,需要另外一套充电电路进行充电,充电电路原理与前面一样,单独对另一路晶闸管提供电源。图中V D1的作用是晶闸管导通期间为电容C 1提供放电回路,确保下个周期充电电路的正常工作。因此,本电路无论反并联晶闸管通断与否都可以可靠地提供晶闸管触发电源,从而解决了高位取能的问题。
需要说明的是,对于不同的场合,图7中阻容保护电阻、电容可以由别的电阻和电容替代,这样其电阻电容值就可以根据具体情况而设定,能够灵活改变充电时间等,从而满足不同的实际需要。
对于1200V 、100A 的晶闸管,额定门极电流80mA ,门极电压为1.8V ,为了晶闸管在任何时刻均能可靠触发,这里选择其门极触发脉冲电流为200mA ,触发脉冲宽度为40μs ,从而可得晶闸管触发需要的电量为
(2)Q =200×10-3×40×10-6=8×10-6(C )
充电电源储存的能量应留有一定的裕度,这里选择其为触发能量的3倍,可得充电电容的值为
(3)C 4=3Q /U =3×8×10-6/12=2(μF )
这里选择C 4的值为2.2μF 。
在选取了充电电容值之后,由于功率补偿用晶闸管的触发角在90°~180°范围,因此为保证光纤触发系统的正常、可靠工作,有必要验证取能电路在晶闸管触发之前完成充电,即取能电路的充电时间t
(4)i U T /X 令充电电容C 4的充电电压设定值为u ,则其充
电电荷为
(5)Q =uC 4=i t
其中,t 为充电时间。
由式(4)(5)联合可得:
(6)t =uX C C 4/U T
根据选择的晶闸管,其阻容电容为0.22μF ,在220V 的电路中充电到12V ,可以由式(6)计算得到充电时间为1.7ms ,其足以满足功率补偿用晶闸管的触发电源要求。
2.3仿真与实验验证
根据前面分析,应用OrCAD /PSpice 建立了图7所示的仿真模型,对所设计的取能电路进行仿真。由式(6)可知,影响充电电路的因素主要有充电电压设定值、RC 回路的容抗、充电电容值以及晶闸管的端电压等几个因素,本文重点对RC 回路的参数对充电电路的影响进行仿真分析。如前面所述,RC 回路可视为容性,电阻的影响很小,可忽略不计,因此,通过式(6)可得充电电路充电时间t 随阻容电容值的增大而减小。图8、图9分别为阻容电容取0.22μF 、0.5μF 时取能电路电压仿真波形,从图中可以看出,阻容电容取0.22μF 时充电时间t 大约为2ms ,这与前面计算值1.7ms 十分接近;而阻容电容取0.5μF 时,充电时间t 减小至1ms 左右。可见,仿真结果与前面电路分析结论一致。
12U /V
60
5
10t /ms
1520
图8C 1=0.22μF 时仿真波形
Fig.8Simulative waveform with C 1=0.22μF
12U /V
60
5
10t /ms
1520
图9C 1=0.5μF 时仿真波形
Fig. 9Simulative waveform with C 1=0.5μF
为了验证改进后耦合取能电路的正确性和可靠性,本文搭建了具体的实验电路。其中,晶闸管型号为GP -100,阻容保护电路中电阻值为25Ω,电容值0.22μF 。根据图7的电路,电容C 4两端的直流电压实测波形如图10所示,可以看出获得的直流电源不仅达到了设计的幅值,而且具有很好的稳定性和较小的纹波系数,完全能够满足触发电路的要求。
3
3.1
触发脉冲放大电路
电路结构
根据前面所述触发电路的要求,结合本文充电电,其具
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第30卷
触发前波形
U d c :5V /d i v
U G :5V /d i v
触发后波形
t :1ms /div t :5ms /div
图10直流电源波形图12触发前、后门极脉冲
Fig.10Waveform of DC power supply Fig.12Gate pulses before and after triggering
有成本低、运行可靠等特点,图11为具体的电路图。
设计所用的光纤接收器的工作电压不超过7V ,因此需要对所充电电路获得的电源进行设计,这里通过稳压得到一个5V 的直流电源,以满足光纤接收器的电源要求,保证光纤传输的正常工作。由于光纤接收端仅在几十微秒内导通,因此要保证光纤不工作期间电源的稳定,避免晶闸管导通期间有电能释放。
光纤传输后的信号,正是控制晶闸管导通的控制信号,这里需要设计一个驱动电路以便实现触发脉冲的放大和晶闸管的开通控制。鉴于所用电源具有不宜放电的特点,因此驱动电路要尽量少的元件和回路,以保证电源的可靠性和稳定性。图11中,TTL OUT 为光纤接收器的输出端,其不导通时为高电平,导通后为1V 的低电平信号,从而控制光耦的开断;为了使得晶闸管快速可靠导通,驱动电流要大一些,一般为额定门极触发电流的几倍到十几倍;通过计算R 2和R 3的值,使得三极管V T 饱和导通,其输出电流为200mA 。电容C 2的值要取得小一些,减小触发脉冲的上升时间。
5V R 1
TTL OUT
12V R 2R 3
V T R 4
C 2
V D2V D1
V TH
U G :2V /d i v
t :10μs /div
图13门极触发信号的上升沿波形
Fig.13Waveform of uprising edge of gate pulse
4结论
本文从工程实用的角度分析并设计了一种可用于中高压静止无功补偿装置的晶闸管光纤传输与触发控制系统,主要包括过零触发、脉冲放大、光纤传输和高位取能4个部分电路。以满足电磁兼容要求,并有效实施高低压电气隔离和稳定可靠运行为前提,设计了每个部分的电路结构以及具体的元件参数,并通过仿真和实验验证了所提出的光纤触发系统的正确性与可靠性,并由此表明:
a. 取能电路采用正负晶闸管分别取能供电,避开了晶闸管导通时不能取电的缺点,可有效保证晶闸管触发系统供电电源的可靠运行和抗电磁干扰能力;
b. 脉冲放大电路简单可靠,只需几个元器件即可,且其价格低廉,相比于采用脉冲变压器,可极大节约装置制造成本。参考文献:
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图11脉冲隔离放大电路
Fig.11Isolated pulse amplifying circuit
3.2
试验验证
根据前面触发电路的要求,通过具体的实验来验证所设计的电路的各项性能指标。触发脉冲波形如图12所示,触发电流200mA ,幅值接近12V ,门极触发电压和触发电流都满足要求。晶闸管不触发时,其加在门极的电压是断开的,可以满足低于0.15V 的要求,避免晶闸管的误触发。图13为门极触发信号的上升沿波形,从图中可以看出其具有很陡的上升沿,上升时间为5.76μs ,满足上升时间小于10μs 的要求,晶闸管触发脉冲的宽度这里选择为50μs 。通过以上的实验和分析,证明脉冲放大电路的正确性
。
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(责任编辑:柏英武)
作者简介
:
宁志毫(1983-),男,河南洛阳人,博士研究生,研究方向为基于新型换流变压器的交直流电能变换系统与装备及其效率分析、谐波抑制技术和无功功率补偿等(E-mail :[email protected]);
罗隆福(1962-),男,湖南常德人,教授,博士研究生导师,研究方向为现代电器设备
宁志毫的设计和优化、新型换流变压器的研制和高压直流输电新理论研究、高效节能型交直流电能变换技术与装备(E-mail :[email protected]);
张杰(1978-),男,湖南怀化人,博士研究生,研究方向为新型换流变压器的建模、故障分析和保护原理研究;
曾海林(1982-),男,湖南郴州人,硕士研究生,研究方向为现代电力电子技术理论及应用以及电力系统谐波抑制和无功补偿;
周宏宇(1981-),男,湖南长沙人,硕士研究生,研究方向为现代电器设备的设计、优化及仿真,自耦补偿与谐波屏蔽换流变压器的研制及对应的高压直流输电新理论研究工作;
李勇(1982-),男,河南信阳人,博士研究生,研究方向为基于新型换流变压器的直流输电系统新理论、电能质量控制与电能经济管理技术及相关HVDC &FACTS 技术。
Design of optical fiber trigger system for thyristor in medium -high voltage
static reactive power compensation
NING Zhihao 1,LUO Longfu 1,ZHANG Jie 1,ZENG Hailin 1,ZHOU Hongyu 1,LI Yong 1,2
(1. College of Electrical and Information Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China ;2. Institute for Power Systems and Power Economics ,TU Dortmund ,Dortmund 44227,Germany )
Abstract :To better realize the high -voltage isolation, a self -powered optical fiber trigger system of thyristor valves is designed for the static reactive power compensation of medium -high voltage system. Its structure is presented and its charging circuit is analyzed based on the practical zero -detection circuit. The influence of RC parameters on the charging circuit is simulated with OrCAD /PSpice and the pulse amplifying circuit is designed according to it. The optical fiber transceiver of HFBR -x4xx series is applied to realize the electric isolation between high and low voltages and to effectively improve the anti -interference performance of trigger system. The reliability and stability of charging circuit, the simplicity and low -cost of pulse amplifying circuit and the better anti -interference performance and less dispersion of optical fiber trigger system are proved by the simulative and experimental results.
This work is supported by Hunan Provincial Foundation for Key Scientific and Technological Project (06GK1003-1)and Hunan Provincial Innovation Fund for Graduate Student (521298295).
Key words :static reactive power compensation ;trigger system ;self -powered ;pulse amplification ;fiber optics transmitter ;electric isolation