滤波装置中晶闸管移相触发电路的设计

(天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387)

滤波装置中晶闸管移相触发电路的设计

魏翔宇,师五喜

(天津工业大学 电气工程与自动化学院,天津 300387)

针对滤波补偿装置中要求电容器投切速度快，无冲击电流、电压的问题，设计了一种基于晶闸管移相触发的电路。该电路实现了快速无冲击投切，设计简单，能很好地解决过零触发电路经常遇到的过零检测混乱而导致的误触发，以及触发需等待电容器放电，有一定延迟的问题。通过现场实验测试分析说明，此移相触发电路的良好实用性。

滤波补偿装置；移相触发；三相同步信号；FACTS

0 引言

从20世纪80年代开始，电力电子技术的应用已经逐渐扩展到发电、输配电和负载用电等整个电力系统。电力电子技术已成为现代电力系统柔性化和智能化水平继续发展，实现全系统协调控制安全、经济、高效、优质运行的基础技术。电力系统中通过改变电力电子开关器件的通、断状态，控制开关电路输出的电压、电流、功率等，从而精确地调控电力系统的运行参数和运行工况，满足系统运行要求。

FACTS[1]是指柔性交流输电系统(Flexible AC Transmission Systems)，是应用于交流输电系统的电力电子控制装置。这些控制装置对选定的一些输电线路既可以进行有功功率控制，也可以进行无功功率控制。因为晶闸管技术已经很成熟，目前使用的大多数FACTS控制装置是基于晶闸管设计的。晶闸管投切滤波补偿装置[2,3]具有响应速度快、无冲击电流和过电压、无触点、使用寿命长等优点，得倒广泛应用。本文设计的晶闸管移相触发电路[4]，在控制晶闸管投切电容器时精确度高，无需等电容器放电，设计简单，降低了滤波补偿装置的生产成本。

1 主要芯片介绍

移相触发电路的设计是以相位控制电路集成芯片TC787[5]为核心元件。TC787是采用先进IC工艺设计制作的单片集成电路，可单电源工作，也可双电源工作。其输出为调制脉冲系列，适用于三相可控硅移相触发电路，具有体积小，功耗小，集成度高，强抗干扰性，移相范围广，外接元件少等优点。如图1所示。

图1 TC787硬件结构Fig.1 TC787 Hardware structure

TC787内部集成电路由以下几部分构成：同步过零和极性检测电路、锯齿波形成和比较电路、抗干扰锁定电路

和脉冲形成电路。其工作原理是三相同步电压经由阻容T型网络进入集成电路，通过过零检测和极性判别电路检测出零点和极性后，在Ca、Cb、Cc3个电容上积分形成线性良好的锯齿波。该波形在比较器中与移相电压比较得到交相点。交相点经过抗干扰电路后送给脉冲发生器，得到调制脉冲。

2 移相触发电路的设计

针对二极管与晶闸管反并联方式[6]投切滤波补偿装置，设计晶闸管移相触发电路。触发电路一个支路只负责一个晶闸管导通，其触发时刻是定相位的，即触发相角为系统电压正弦波形90°时，使触发板产生触发信号，导通晶闸管。

电路的硬件设计包括控制器投切命令电路，90°定相位检测电路，同步变压器隔离电路和脉冲隔离放大电路组成，如图2所示。

图2 模块框图Fig.2 Module block diagram

2.1TC787工作电路设计

设计的移相触发电路采用单电源工作方式，即TC787芯片引脚3（Vss端）接地，引脚17(Vdd)接15V电源，如图3所示。

图3 TC787接线原理图Fig.3 TC787 Wiring principle diagram

为方便读者了解滤波补偿装置中移相触发电路板接入滤波电路的连线方式，将滤波支路一次侧接线原理图一并画出。其中电容器串联电抗器之后角接部分为一次侧接线原理。

采用定相位实现电压峰值触发，需要检测系统同步电压信号。因此，触发板应需同步变压器用于隔离降压。同步电压信号是经变压器隔离作用后，将三相输出的弱电经过滤波之后，送给TC787的A、B、C三相同步电压输入引脚，用来做移相触发脉冲的基准电压。电路中的C11~C13和R22~R23构成阻容滤波电路，滤去同步电压中的毛刺环节。本设计采用的是三相△/Y 同步隔离变压器SPT-C93130-08 ，其输入端是系统供电三相电压，输出端是基于中性点的同步电压UAB，UBC和UCA线电压。

控制器投切信号是当需要投切滤波补偿装置时，给TC787芯片控制引脚Pi(输出脉冲禁止端)一个控制信号。输入的投切信号正常，则该引脚禁止端无效，芯片内部发生一系列逻辑电路动作，输出需要的脉冲系列。反之，如果投切信号没有或者不正常，则该引脚有效，芯片内封锁脉冲，确保输出引脚端无脉冲系列发生，保持低电平状态。

移相控制电压信号是通过调节电位器阻值来获取。该信号送给TC787芯片的Vr引脚(移相控制电压输入端)，其移相电压的幅值高低直接决定了输出脉冲的移相角度。对于调制脉冲的宽度，可由芯片13引脚控制，通过调节连接该引脚的电容CX值的大小，决定其宽度。电容的容量越大，则脉冲越宽。设计的电路发出的触发脉冲宽度有100µS。

2.2脉冲隔离电路设计

脉冲隔离电路是将幅值、相位正好的触发脉冲连接到晶闸管。TC787发出的A、B、C三相脉冲串通过光电耦合器进行隔离，经三极管放大后，得到+24V的尖峰脉冲信号，将该脉冲送给脉冲隔离变压器KMB518原边。该变压器符合TC787的脉冲串输出，经变压器隔离后，副边得到幅值较低的持续脉冲串。该脉冲串再经阻容电路的滤波后，供给晶闸管的K极和G极，用以触发晶闸管，如图4所示。

图4 脉冲隔离、放大电路图Fig.4 Pulse isolation, amplification circuit diagram

3 实验测试分析

现有一套系统电压为400V的TSF[7]滤波补偿柜，该装置内部电容器与电抗器用于滤除5次谐波，并且以二极管与晶闸管反并联的方式控制滤波支路的投、切。

为了验证移相触发方式投切滤波补偿装置的可靠性，现将触发电路板安装在该滤波补偿柜中，用来触发二极管和晶闸管反并联装置。TSF滤波补偿控制柜内电容器为三角形连接方式，电抗器与电容器串联于角内，滤波支路中电力电容器大小为314µS，电抗器大小为1.432mH。滤波补偿柜内配有220V电源供电的补偿控制器，当给控制器一个投切命令后，控制器输出12V电压信号，该电压信号经光耦隔离后即产生投切信号。

1）电路移相测试结果

实际中要求触发在供电电压正半周期的峰值时刻，因供电电源经过三相同步变压器隔离后接入触发电路，而且三相电源是星接接线方式，同步变压器是△/Y 接线方式，二次侧滞后一次侧30°，推算出触发电路板的移相角度应该是60°。电路中，设置TC787工作在半控单脉冲模式，调节电位器阻值R，使TC787的三路输出脉冲分别对应A、B、C三相电压的一个周波的3.33ms(即一个周期的60°)处。

用示波器观察移相触发脉冲，将示波器的一通道(屏幕显示黄色的波形)采集输入到三相同步电源变压器的A相波形；二通道(屏幕显示蓝色的波形)采集TC787的某一路输出的脉冲波形，如图5所示。

图5 示波器显示脉冲波形Fig.5 The oscilloscope display pulse waveform

2）快速无冲击投切测试结果分析

确定了电位器阻值之后，将电路板接入滤波补偿柜中。用万用表仔细检查柜内二次侧连线情况，检查交流电源线、直流控制信号线之间以及各触发脉冲输出线之间是否短路，确保接线正确无误后，一次侧通电，闭合断路器，手动控制器发出投切命令。此时，滤波支路处于带电工作状态。使用电能质量测试仪FLUKE434观察滤波支路A相的电流情况，可知电流波形正常，无冲击电流先现象，如图6所示。

图6 A相电流测试图Fig.6 A Phase current test pattern

设置控制器投入、切除延迟时间为5s(250个时间单位)。滤波装置投入连续运行后，通过示波器观察支路上的电压波形变化情况，记录滤波支路投入和切除的时间间隔，由表1可知触发电路响应速度快，投切延迟时间短，表1。

表1 投切响应实验结果Table 1 For response to the experimental results

由测量仪器显示结果图6和表1可知，在移相触发方式投切的补偿装置中，滤波支路的电压、电流波形基本符合工业生产要求，无冲击涌流，无谐波，正弦波形正常，实现了快速投切，达到了设计电路要求的目标。

4 结束语

基于移相触发电路的二极管和晶闸管反并联控制开关，实际应用于投切电容器滤波补偿装置，具有良好的实用效果，速度快，真正实现了20ms内投切滤波装置，无冲击电流，设计简单，生产成本低，可广泛用于动态无功补偿和滤波装置中。

[1]张文亮,汤广福,查鲲鹏,等．先进电力电子技术在智能电网中的应用[J]．中国电机工程学报,2010(4)．

[2]卢中友．一种晶闸管投切的无功补偿电路设计[J]．电气技术,2013(06),106-110．

[3]巩庆．晶闸管投切电容器动态无功补偿装置[J]．电网技术,2007(82)．

[4]江智军,赵江球,伍怡兴．一种改进的晶闸管触发电路研究[J]．通信电源技术,2009,26 (4)：14-16．

[5]苏茂盛．双向晶闸管模块在动态无功补偿中的应用[J]．机电技术,2009(3)：43-45．

[6]吴坚,张茂青,胡庆何,等．基于专用芯片TC787的三相六脉晶闸管触发板的研制[J]．电子工程师,2003(05)：44-46．

[7]王忠清,杨建宁．谈晶闸管投切电容器TSC的触发电路[J]．电力电容器,2007,28(4)：30-36．

Design of SCR Phasing Trigger Circuit in Filter Equipment

Wei Xiangyu,Shi Wuxi
（School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China）

For the problems in filter compensation device of capacitor switching speed, no impact current and overvoltage, the paper designs a circuit based on thyristor phasing trigger. The circuit have achieved fast switched and simply designed. It can solve chaos trigger,when the zero trigger circuit often encounter errors due to the zero crossing detection,and those delays when trigger the capacitor discharge .Through the field experiment test and analysis, illustrates that good practicability of phase shift trigger circuit.

filter;phasing trigger;three-phase synchronous signal;FACTS

TM461.4

A

Doi：10.3969/j.issn.1671-1041.2014.03.006

2014-4-10

魏翔宇，男，在读硕士研究生，研究方向：自动化控制工程。