毕业论文-TSC无功补偿装置无触点开关技术研究

1、PAGE II- -哈尔滨理工大学毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号学 院：电气与电子工程学院 专业：电气工程及其自动化任务起止时间：2012 年 2月 27 日至 2012年 6 月 24 日毕业设计（论文）题目：TSC无功补偿装置无触点开关技术研究毕业设计工作内容：查阅国内外相关参考文献，要求阅读20篇以上文献，其中必须有3篇以上为外文文献，要将其中1篇外文文献译成中文，不少于3000汉字。综述静止无功补偿技术国内外研究现状； 综合比较各类无触点开关技术在TSC装置中应用；设计一类无触点开关；总结研究工作，撰写毕业论文，进行毕业答辩。资料：王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）.机械工

2、业出版社，2009王兆安，杨君，刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿M. 北京：机械工业出版社，2002 L.1984徐登科. 新型智能复合开关. 电工技术，200211：4748吴济钧. 带过零触发电路的晶闸管交流开关模块. 电源技术应用，2002(7).4547指导教师意见：签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日教务处制表哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE IV -TSC无功补偿装置无触点开关技术研究摘要随着电力电子装置的飞速发展与应用，在低压配电系统中，由于配电变压器、低压用电设备等无功负荷的大量存在，电网中产生了大量无功功率，严重影响了电网电压质量，使无功补偿技术在电网改造中的应

3、用越来越广泛。TSC装置对增强系统稳定性、提高系统运行经济性，保证电压质量及改善电能质量都能发挥良好的作用。因此，晶闸管投切电容器（TSC）无触点开关的应用对无功功率补偿技术有重要的理论意义和应用价值。本论文首先回顾了投切开关的发展历史、无功补偿技术在国内外的研究现状。系统地阐述了晶闸管投切电容器（TSC）无触点开关的理论背景、工作原理及补偿方式，同时对各类无触点开关进行比较分析，熟悉了它们如何在TSC装置中取得应用。文中还对可控硅开关进行了简要描述，包括可控硅开关的主电路电气结构、主电路中的重要元件参数的选择、可控硅开关的触发系统构成以及过零检测电路构成。综合上述原理，设计了一种可控硅开关系

4、统，通过对不同信号的采集，使之完成投切电容器达到无功补偿的目的。关键词 无功补偿，无触点开关，晶闸管投切电容器，可控硅开关The research on the technology of non-contact switch for TSC reactive power compensation device AbstractWith the rapid development of the power electronic devices and applications, because a large number of reactive load in the low voltage

5、 distribution system, such as distribution transformer, low voltage equipment and so on. Due to the technology of reactive power compensation is applied more and more widely in electric network reconstruction, It seriously affects the quality of voltage in electric network . TSC devices can play the

6、 good role in enhancing the system stability, improving the economical operation of system, and ensuring the quality of voltage and power. Therefore, the usage of thyristor switched capacitor (TSC) for non-contact switch has the important theoretical significance and application value in the reactiv

7、e power compensation technology.This paper first reviews the history of hurl-slices switch and the research status and development of reactive compensation technology at home and abroad. It systematically described the theoretical background, working principle and compensation devices in thyristor s

8、witched capacitor (TSC) for non-contact switch.It also included the brief description of SCR switch in the paper, for exemple, the electric structure of main circuit, the selection of important element parameters of main circuit, the composition of trigger system and zero cross detection circuits.Ab

9、ove all, I design a kind of SCR switch to collect different signals to achieve the purpose of reactive power compensation.Keywords Reactive power compensation; non-contact switch; Thyristor Switched Capacitor; SCR switch目录摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN IITOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc327911127

10、 第1章 绪论 PAGEREF _Toc327911127 h 1 HYPERLINK l _Toc327911128 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc327911128 h 1 HYPERLINK l _Toc327911129 1.2 静止无功补偿技术的研究现状与发展 PAGEREF _Toc327911129 h 2 HYPERLINK l _Toc327911130 1.2.1 静止无功补偿的研究现状 PAGEREF _Toc327911130 h 2 HYPERLINK l _Toc327911131 1.2.2 静止无功补偿的发展趋势 PAGEREF _Toc327911

11、131 h 3 HYPERLINK l _Toc327911132 1.3 本文主要内容 PAGEREF _Toc327911132 h 4 HYPERLINK l _Toc327911133 第2章 无触点开关技术及其在TSC装置中的应用 PAGEREF _Toc327911133 h 5 HYPERLINK l _Toc327911134 2.1 TSC无功补偿装置 PAGEREF _Toc327911134 h 5 HYPERLINK l _Toc327911135 2.1.1 晶闸管投切电容器 PAGEREF _Toc327911135 h 5 HYPERLINK l _Toc3279

12、11136 2.1.2 TSC无功补偿装置 PAGEREF _Toc327911136 h 8 HYPERLINK l _Toc327911137 2.2 无触点开关技术 PAGEREF _Toc327911137 h 12 HYPERLINK l _Toc327911138 2.3 双向可控硅的应用 PAGEREF _Toc327911138 h 17 HYPERLINK l _Toc327911139 2.4 复合开关的应用 PAGEREF _Toc327911139 h 19 HYPERLINK l _Toc327911140 2.5 TSC无功补偿应用主回路 PAGEREF _Toc3

13、27911140 h 20 HYPERLINK l _Toc327911141 2.6 本章小结 PAGEREF _Toc327911141 h 21 HYPERLINK l _Toc327911142 第3章 可控硅开关的硬件设计 PAGEREF _Toc327911142 h 22 HYPERLINK l _Toc327911143 3.1 整体电路结构 PAGEREF _Toc327911143 h 22 HYPERLINK l _Toc327911144 3.2 可控硅工作原理 PAGEREF _Toc327911144 h 26 HYPERLINK l _Toc327911145 3

14、.3 可控硅开关触发的基本原理 PAGEREF _Toc327911145 h 27 HYPERLINK l _Toc327911146 3.4 过零检测电路 PAGEREF _Toc327911146 h 28 HYPERLINK l _Toc327911147 3.5 可控硅开关的触发电路 PAGEREF _Toc327911147 h 29 HYPERLINK l _Toc327911148 3.6 故障检测电路 PAGEREF _Toc327911148 h 30 HYPERLINK l _Toc327911149 3.7 本章小结 PAGEREF _Toc327911149 h 31

15、 HYPERLINK l _Toc327911150 第4章 可控硅开关的程序流程 PAGEREF _Toc327911150 h 32 HYPERLINK l _Toc327911151 4.1 主程序设计 PAGEREF _Toc327911151 h 32 HYPERLINK l _Toc327911152 4.2 可控硅投切的时序控制及其触发流程 PAGEREF _Toc327911152 h 33 HYPERLINK l _Toc327911153 4.2.1 可控硅投切的时序控制流程 PAGEREF _Toc327911153 h 33 HYPERLINK l _Toc327911

16、154 4.2.2 可控硅触发流程 PAGEREF _Toc327911154 h 34 HYPERLINK l _Toc327911155 4.3 故障检测与保护 PAGEREF _Toc327911155 h 34 HYPERLINK l _Toc327911156 4.4 本章小结 PAGEREF _Toc327911156 h 35 HYPERLINK l _Toc327911157 结论 PAGEREF _Toc327911157 h 36 HYPERLINK l _Toc327911158 致谢 PAGEREF _Toc327911158 h 37 HYPERLINK l _Toc

17、327911159 参考文献 PAGEREF _Toc327911159 h 38 HYPERLINK l _Toc327911160 附录 PAGEREF _Toc327911160 h 40TOC o 1-3 h u - PAGE 51 -绪论课题背景在低压配电系统中，由于低压用电设备等无功负荷的大量存在，在电网中产生大量无功功率。无功功率由电路中的储能元件（电容或电感）引起，它不是无用功率，能为能量的交换、输送、转换创造必要的条件，它表示有能量交换，但不消耗功率，其幅值可作为能量交换的量度1。传统上无功功率一般采用平均无功功率概念，它是电路中储能元件与电源间交换功率的最大值，也是储能元件

18、与电源间交换能量的一种量度。目前世界范围内掀起环境保护和节能的热潮，电力系统是一种特定的环境，公用电网中出现的无功功率，由电网本身的运行规律所决定，但它给电网运行带来了许多麻烦。现代电网中，电动机等感性负荷占据相当大比重。它们在消耗有功功率的同时，也需要吸收大量无功功率。无功功率的出现不仅导致发电机出力下降，降低了输配电设备效率，而且还增大了网损，严重影响供电质量。目前，低压系统补偿中，主要采取变电所集中补偿方式，对大型用电设备则采取分散补偿。随着人民生活水平提高，低压用户，特别是住宅用户的用电量大幅增长。然而，由于厂矿单位、住宅小区、部队营区等配电线路更新改造速度相对滞后，导致线路末端电压远

19、低于允许范围，致使洗衣机、空调等非照明设备难以正常工作，并对电器设备造成巨大危害。同时，由于新增电气负载大量采用电动机、压缩机等旋转设备和电力电子装置，对无功功率需求很大，因而导致小区内部线路损耗显著增大。解决这一问题，目前主要措施是增容，即扩大变压器和配电线路容量，从而提高供电能力。但是，增容一方面投资大，施工工程量大，周期长，另一方面由于末端无功仍需由低压侧集中补偿系统提供，输电线路利用效率仍然较低。因此,有效减小线路无功电流，不仅可以增大有功输送能力，而且有利于降低变压器低压侧到末端负荷间的线路损耗，改善末端电压质量。所以，研究开发线路终端用无功功率补偿装置是十分必要的，同时也具有相当的

20、经济意义和社会效益2。为了降低线损、提高功率因数，通常是通过低压无功自动补偿装置将低压电容器组接在配电变压器的二次侧和大功率感性负载的母线上，对变压器和感性负载自动进行无功补偿，使功率因数保持在0.90.95或更高，取得了较好的效果。随着“两网改造”工作的深入开展，各种低压无功自动补偿装置的应用越来越广泛3。装置中使用了交流接触器、投切专用交流接触器、可控硅功率模块、固态继电器等作为并联电容器的投切开关，并联电容器的投切开关对装置的性能具有决定性的影响，因而合理的选择投切开关就显得十分重要4。静止无功补偿技术的研究现状与发展静止无功补偿是保持电网高质量运行的一种手段，正在受到越来越多的关注。电

21、网中无功不平衡主要有两方面原因：一方面是输送部门传送的三相电的质量不高；一方面是用户的电气性能不够好。这两方面的原因综合起来导致了无功的大量存在。静止无功补偿的研究现状早期的无功补偿装置为静电电容器和同步补偿器，多用在系统的高压侧进行集中补偿。并联电容器补偿至今仍是一种主要的补偿方式，应用范围很广。同步补偿器实质是同步电动机，当励磁电流变化时，电动机可随之平滑地改变输出无功电流的大小和方向，对电力系统的稳定运行很有好处。但同步补偿器成本高、安装复杂及维护困难的缺点，使其应用受到限制。20世纪70年代以来，随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术。这种技术经过20多年的发展，经历了一个不断

22、创新、发展完善的过程。所谓静止无功补偿是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使其具有吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。目前这种静止开关主要分为两种，即断路器和电力电子开关。由于用断路器作为接触器，其开关速度较慢，约为1030s，不可能快速跟踪负载无功功率的变化，而且投切电容器时常会引起较为严重的冲击涌流和操作过电压，这样不但易造成接触点烧焊，而且使补偿电容器内部击穿，所受的应力大，维修量大。随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关SCR、GTR、GTO等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高500倍（约为10s），对任

23、何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。现今所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有具有饱和电抗器的静止无功补偿装置(SR),晶闸管控制电抗器(TCR),晶闸管投切电容器(TSC)和采用自换相变流技术的静止无功补偿装置高级静止无功发生器（ASVG）。早期的SVC是饱和电抗器（SR）型的，尽管它具有静止型的优点5，但它需要工作在饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性的问题，因而未能占据SVC的主流。电容器是静止设备，具有运行维护简单、无噪音、损耗低、效率高的特点，使并联电容器补偿方式具有结构比较简单，控制方便的优点，因此它在补偿方面得到了广泛应

24、用。并联电容器补偿可采用固定电容器（FC）补偿和开关投切电容器自动补偿两种形式。前者由于不能调节，不能进行动态补偿；后者采用开关投切电容器，能进行动态无功补偿，在无功补偿中占据重要地位。后来出现了专用于投切电容器的接触器，通过加入限流电阻来抑制涌流。以此类接触器投切电容器，涌流一般能控制在额定电流的20倍以内（通常为10倍左右）。这类加预投电阻的专用接触器整体体积较大，由于涌流仍会使交流接触器触头烧毁或粘结，事实上在工作时也没有真正解决浪涌电流问题，始终是影响开关本身使用寿命的根本原因。由此可见，机械式开关在实际应用中存在着一些明显缺陷，因此它逐渐被无触点的电力电子器件所代替。1977年，美国

25、GE公司首次在实际电力系统中演示运行了一种使用可控硅控制的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院（EPRI）的支持下，西屋电气公司（WestinghouseElectricCorp）制造的使用可控硅控制的静止无功补偿装置投入实际运行。在90年代后期，随着电力电子技术的迅速发展及半导体电力器件的成熟化，可控硅越来越广泛地应用于SVC装置中，占据了静止无功补偿装置的主导地位。此类产品采用单片机控制大功率可控硅，在检测到电网电压过零时，开关触发导通，电容器上电压缓慢上升而无合闸涌流冲击，从根本上解决了电力电容器投切时交流接触器经常烧结而损坏的不良情况。但在实际运行中，无触点开关也暴露出其不足

26、之处：由于可控硅导通后，存在0.7V的结压降，因而会产生谐波电流，影响电容器的正常运行；可控硅本身不能快速关断，因此开关在断开时，两端容易承受过高的反向电压而被烧毁；可控硅的大功耗特性使其在长期运行中，会产生较大的热量，从而引起过高的温升，影响它正常工作。通过分析这两种不同开关的特点可知：机械式接触器不能较准确地做到开关两端电压过零时闭合，在电流过零时切断，而无触点可控硅能做到这一点；相反，在开关闭合工作时可控硅会产生损耗和电压电流谐波，而机械式接触器却能避免这些问题。后来，市场上就有了复合开关的出现，它采用无触点开关和机械开关并联的工作结构，投切瞬间无触点可控硅导通，正常工作时机械触点接入回

27、路并且可控硅退出工作，这样很好地解决了冲击涌流和谐波问题，使复合开关具有使用寿命长，动作可靠的特点。这种类型的投切开关在低压无功补偿中得到广泛的应用，在市场上占据了重要地位，是目前应用最广泛的投切开关。静止无功补偿的发展趋势随着电力电子技术的日新月异以及各门学科的交叉影响，无功补偿的发展趋势主要有以下几点： 在城网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补偿控制器和配电综合测试仪，因此提出了无功补偿控制器和配电综合测试仪的一体化的问题。 快速准确地检测系统的无功参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足工作条件较恶劣的情况（如大的冲击负荷或负荷波动较频繁的场合）。随着计算机

28、数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制方法，如模糊控制等。 目前无功补偿技术还主要用于低压系统。高压系统由于受到晶闸管耐压水平的限制，无功补偿装置不能得到广泛的应用。因此，研制高压动态无功补偿的装置则具有重要意义，关键是解决补偿装置晶闸管和二极管的耐压问题。 由单一的无功功率补偿到具有滤波以及抑制谐波的功能。随着电力电子技术的发展和电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。本文主要内容本文主要工作内容如下：1. 系统全面地

29、了解晶闸管投切电容器的结构特点，分析它的原理和工作过程，了解了其主回路的构成，控制方式，投切方式以及补偿策略。2. 分析TSC设备中的开关元器件的工作过程和触发方式，其中元件包括晶闸管的选型、触发电路设计、过零检测电路等。3. 通过研究无功补偿技术，同时对目前几种无触点开关工作特点的比较，以及它们的应用，提出用可控硅投切电容器的补偿方法。4. 根据理论计算和设计参数，搭建无功补偿设备功率单元的实验平台，在实验平台上验证设计思想和设计方法。无触点开关技术及其在TSC装置中的应用2.1 TSC无功补偿装置2.1.1 晶闸管投切电容器晶闸管投切电容器（TSC）是利用反并联晶闸管组成的高压交流无触点开

30、关代替机械开关、根据输电系统或配电系统的无功功率的控制要求自动投切相应的电容器组,使并联到电网上的容抗分级变化,从而实现对无功补偿的最终自动控制。 = 1 * GB3 晶闸管投切电容器的原理晶闸管投切电容器组的关键技术是必须做到投切时无电流冲击。晶闸管投切电容器组的原理如图2-1所示。图2-1 晶闸管投切电容器组的原理图 i(t)=Cduc/dt，Ldi(t)/dt+uc(t)=u(t)，得LCd2uc/dt2+uc(t)=u(t)。将其进行拉氏变换为: Us设电源电压U解得it=式中n为电路的谐振角频率:n=1LC=nUc0-基波角频率由式(2-2)可知,电流i(t)由三项组成,第一项为稳态

31、电流,电流超前电压90 = 1 * alphabetic a: 式(2-2)的第三项cos（nt = 2 * alphabetic b: 式(2-2)中的第二项为零Uc0=n2Um式(2-2)的第三项给出当触发角偏离最佳点时的振荡电流的幅值;式(2-2)中的第二项给出当Uc0偏离最佳预充电值时振荡电流的幅值。若使电容器电流ic=Cdu触发电路的功能是:电流无冲击触发;快速投切,20ms动作。这个20ms不是得到投切命令到产生动作的时间,而是从停止到再投入动作的时间为20ms。快速反应时,在平衡补偿电路,不能出现不平衡动作,即有的相有电流,有的相没有。 = 2 * GB3 主电路TSC投入电容的

32、时刻,即晶闸管开通时刻,必须是在电源电压与电容器预先充电电压相等的时刻。在低压系统中,为保证投入电容器时不产生冲击电流,现有TSC装置的过零检测电路一般采用光耦来保证晶闸管阀两端的电压过零时触发晶闸管。晶闸管阀常见的接线方式有两种:晶闸管与二极管反并联接线方式和晶闸管反并联接线方式。采用晶闸管与二极管反并联的方式投资小,断开后它可以保持电容电压为峰值,电容器在电源电压为峰值时无电压差投入,晶闸管在电流过零时自动切断。无论电容器的投或切,都不会产生冲击电流和过电压,控制简便,电容器无需放电即可重新投入,从而实现电容器的频繁投切。该接线方式存在的问题是,晶闸管承受的最大反向电压为电源电压峰值的2倍

33、。而采取晶闸管反并联方式,在晶闸管阀关断时如果采取措施将电容器的残压放掉,晶闸管阀承受的最大反向电压为电源电压的峰值。晶闸管反并联方式可靠性高,即使某相损坏一个晶闸管,也不会导致电容器误投入;但投资较大,控制较复杂。晶闸管和二极管反并联方式的响应速度比两晶闸管反并联方式稍差。 = 3 * GB3 控制方式控制物理量不同可分为功率因数控制、无功功率控制和多参量综合控制。功率因数控制是指预先设定整定功率因数cos，由检测到电网实际功率因数控制所需补偿电容容量。电容器组投入后，当cosmincos0 = 4 * GB3 投切方式20世纪70年代补偿柜都是采用机械式交流接触器，至今仍有沿用。但接触器三

34、相触头不能分别进行控制，要通则几乎一起接通，要断则几乎一起断开，无法选择最合适相位角投入和切除电容，这样会产生不同冲击电流。冲击电流大，限制了一次投入电容值，把一次投入电容值化整为零，分几次投入7，这将降低补偿准确性和减慢响应速度，常会引起接触器触头烧焊现象，使接触器断不开，影响正常工作，实际使用时不对触头经常进行维护和更换，这影响了整个装置工作可靠性和工作寿命，也降低了工作准确性和动作响应速度。现普遍采用单片机控制大功率晶闸管来投切电容，具有过零检测8、过零触发优点，响应速度快，合闸涌流小，无操作过电压，无电弧重燃，基本上解决了投切时交流接触器经常拉弧至于烧结而损坏不良情况。开关器件可选择晶

35、闸管和二极管反并联，也可选择两个晶闸管反并联方式。采用晶闸管与二极管反并联方式，电容器电源峰值时投入，晶闸管电流过零时自动切断，电容器投或切，都不会产生冲击电流和过电压，控制简便，电容器无需放电即可重新投入，实现电容器频繁投切，但晶闸管承受最大反向电压为电源电压峰值两倍。而采取两个晶闸管反并联方式，晶闸管关断时，电容器残压能迅速放掉，那晶闸管所承受最大反向电压为电源电压峰值。两种方式相比，晶闸管反并联方式可靠性更高，损坏一个晶闸管，会导致电容器误投入，响应速度也比晶闸管和二极管反并联方式快，但投资较大，控制更复杂。 = 5 * GB3 补偿策略目前可分为三相共补和三相分补两种。三相共补是三相总

36、无功需求来投切电容器组，电容器接法为三角形。三相分补则是每相各自无功需求投切电容器组，电容器接法为星形。三相共补广泛采用两组晶闸管作为控制器件。提高运行可靠性，防止电容器和晶闸管损坏，晶闸管投入时必须要有过零检测，即当晶闸管两端电压等于零时晶闸管才导通。实际上电压绝对过零很难做到，会存电流暂态过程，但线路参数配合合理，这个过程持续时间不长，并很快过渡到稳定状态。值注意是，当晶闸管切除后，晶闸管和电容器均存着很高残压，这对晶闸管和电容器耐压也提出了更高要求。器件选择不当或保护不够，常常会造成晶闸管和电容器烧毁。三相共补适用于三相负载较平衡场合，三相分补三相负载不平衡场合则能做到真正三相无功平衡。

37、把三相共补和三相分补相结合，便实现补偿综合方案混补，可以用于任何负载。先三角形接法电容器组中选择三相共同需要补偿容量，进行共补，然后星形接法电容器组合中选择单相电容器补偿剩余不平衡状况，既避免了过补或欠补现象出现，又节省了补偿电容容量，降低了成本，具有很好经济性。2.1.2 TSC无功补偿装置使用晶闸管作为电容器的投切开关,其最大优点是可以频繁投切。现在普遍采用单片机控制大功率晶闸管来投切电容,由于具有过零检测、过零触发的优点,响应速度快、合闸涌流小、无操作过电压,无电弧重燃,从而基本上解决了以往投切时交流接触器经常拉弧以至于烧结而损坏的不良情况。开关器件可选择晶闸管和二极管反并联,也可选择两

38、个晶闸管反并联方式,采用晶闸管与二极管反并联方式,只要电容器在电源峰值时投入,晶闸管在电流过零时自动切断,无论电容器的投或切,都不会产生冲击电流和过电压,电容器无需放电即可重新投入,从而实现电容器的频繁投切。1 主电路的介绍TSC无功补偿装置由若干组电容器构成,电容器组常用的主电路方案如图2-2所示。图1(a)图1(d)方案为三角形接线,其中图1(a)、图1(b)中的电容器为单相电容器;图1(c)、图1(d)中的电容器为三相电容器(内部已接成三角形)。图2-2 TSC无功补偿装置的主电路图图2-2(a)方案中的无触点投切开关由两只反并联的晶闸管构成(可选用双向晶闸管)。当晶闸管为正向电压,且门

39、极上有触发信号时,晶闸管导通,电容器投入;当去掉触发脉冲信号后,电流过零时,晶闸管截止,电容器从电网上切除。所以,刚切除时电容器上的电压(称为残压)为电网电压幅值(或正或负)。图2-2(b)方案采用二极管代替部分晶闸管,从而降低装置的成本。当电容器刚切除时,其残压为电网电压幅值(正值)。这种方案的响应速度如图2-2(a)方案。其原因是9:在切除电容器时,从切除指令的输出到第一个电力电子器件截止,方案图2-2(a)在半个周波内完成,即不大于10ms;方案图2-2(b)则由于二极管的不可控性,通常要大于半个周波才能被切除,但切除时间一般不会超过一个周波,即不大于20ms。图2-2(d)方案省掉了一

40、相的晶闸管,同样可以控制三相电容器的投切。图2-2(e)方案和图2-2(f)方案为Y形接线,可在三相负荷不平衡的电路中作为分相补偿。常用的TSC无功补偿装置采用图2-2(a)方案。晶闸管电压值USCR的选择要考虑电力电容器上的充电电压,可按式2-1进行选择。晶闸管电流值ISCR可按ISCR=2.54f2 投切判据与信号检测TSC无功补偿装置通过检测负荷侧无功电流幅值作为电力电容器的投切判据。根据电容器无功补偿系统示意图2-3,其原理如下述,设节点电压为: Up=2Usint;负荷电流为i1t=2I负载负载电源upisilic图2-3 电容器补偿系统示意图可见,只要测量在电压正向过零时刻的负载电

41、流,就可得到无功电流幅值Iqm。由图2-3可知，i1=ic+is,如果使icC即为全补偿所需投切的电容量。若C为负,则是切除相应容量的电容器;反之,则应投入相应容量的电容器。3 零电压投入问题在电容器切除后重新投入时,若晶闸管导通(电容器接入电网)时的电网电压与电容器残压相差较大,就会由于电容器上的电压不能突变,而产生很大的电流冲击(合闸涌流),这一冲击很可能损坏晶闸管,或给电网带来高频冲击。为了使电容器投入时不引起涌流冲击,必须选准晶闸管触发的理想时刻,即保证晶闸管导通时电网电压与电容器残压大小相等、极性一致,这就要预先测知电容器残压,为解决这一问题,可考虑以下方案:(1)加放电电阻。每次切

42、除电容器后,通过专门的放电电阻对电容器放电,使电容器残压接近为零,晶闸管在电网电压过零时投入。这一方案要增加无功补偿装置的成本,并且电容器切除后自动接入放电电阻的电路也较复杂。(2)电容器预充电。投入电容器之前对其预充电,充电到电网电压的峰值,在电网电压峰值时触发晶闸管。这种方法将使主电路变得很复杂,并且延长了电容器的投入时间。(3)主电路采用晶闸管与二极管反并联方式。如图2-2(b)所示方案中,电容器投入前其电压总是维持在电网电压的峰值,一旦电容器电压比电网电压峰值有所降低,二极管都会将其电压充电至电网峰值电压。只要在电网电压峰值时触发晶闸管,就可避免电流冲击。(4)检测晶闸管两端电压的零电

43、压触发方式。由于电容器残压的不确定性,晶闸管上的电压是一个不能根据电网电压计算的值,但可通过检测晶闸管两端(阳极和阴极)的电压来确定电网电压与电容器残压是否相等。当检测到晶闸管两端电压相等(电压差为零)时,触发晶闸管。其电路原理框图如图2-4所示。光电 光电 耦 合零电压检测 器与门触发电路投入命令R图2-4零电压触发原理框图4 晶闸管触发电路TSC无功补偿装置的控制系统由单片机、信号检测电路、晶闸管触发电路、以及其人机接口电路等部分组成。图2-5是触发电路的原理框图。单片机HT46R232单片机HT46R232过零检测锁相环工频电 压组合驱动电路晶闸管图2-5触发电路的原理框图同步脉冲形成电

44、路的作用是消除电网频率不稳定造成的触发误差。如果在单片机中以工频周期20ms作为产生触发脉冲信号的时间基准,由于电网频率不稳定,将会产生触发误差。同步脉冲形成电路能保证使晶闸管触发脉冲信号与电网工频信号同步。如图2-5所示,电网工频电压信号经锁相环锁相后再次形成50Hz工频信号,然后进行过零比较,整形输出,送入单片机HS1.0端口,输出的控制信号为HS0.0端口在软件定时控制下产生与电源同步的可移相的脉冲信号,此脉冲信号与单片机的P1.05端口输出的信号组合后,经脉冲变压器驱动,最后分别送给主电路中6个晶闸管的门极,触发相应的晶闸管。无触点开关技术无触点开关分为磁放大器式无触点开关，电子管、离

45、子管式无触点开关和半导体无触点开关。各种无触点开关的内部结构不同，开关特性也有所不同，详细了解每种类型的内部开关原理以及开关特性，有利于开发人员根据控制系统的要求选择合适的无触点开关。磁放大器式无触点开关体积与重量较大且电流转换速度慢，已较少采用；电子管、离子管式无触点开关由于电子管、离子管的功率不能做得很大，在实际应用中受到了很大的限制，也已较少使用。半导体无触点开关是借电路中半导体器件的可控导通断来实现电路通断的一种开关电器。它是20世纪50年代后发展起来的一种开关，可用晶体管或晶闸管组成，由于晶体管受到功率的限制，大都采用晶闸管及其控制电路组成。半导体无触点开关的优点是：电流可以做得较大

46、，耐反压值高，控制门极功耗小，导通和关断时间短，工作寿命长，环境适应性好，工作效率高等。例如，对有触点的接触器，操作频率高于36次/h以上时就很困难了，但对半导体式无触点开关则操作频率每小时可达数万次至数十万次以上。三端稳压器实现的无触点开关图2-6是利用三端稳压器设计的开关电路。从控制端加入的信号决定是否将三端稳压器与地导通。若导通则输出端上电,否则输出端相当于断开。此电路十分简单,也容易调试,且有多种电压的稳压器供选用,适用于直流负载的控制。缺点是稳压器的管压降使输出电压有所降低,不适合电池供电的设备。选用低压差三端稳压器会有所改善。D1D1IN4002三端稳压器V0Outputlnput

47、控制端1.0FRR图2-6三端稳压器实现的控制开关2可控硅器件的无触点开关可控硅开关的原理是通过电压、电流过零检测控制，保证在电压零区附近投入电容器组，从而避免了合闸涌流的产生，而切断又在电流过零时完成，避免了暂态过电压的出现，这就从功能上符合了电容器的过零投切的要求，另外由于可控硅的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿（响应时间在毫秒级），因此适用于电容器的频繁投切，非常适用于频繁变化的负荷情况，相对于交流接触器有了质的飞跃。但可控硅对电压变化率（dv/dt）非常敏感，遇到操作过电压及雷击等电压突变的情况很容易误导通而被涌流损坏，即使安装避雷器也无济于事，因为避雷器只能限制电压的峰值，并不能

48、降低电压变化率。可控硅无触点开关具有反应速度快、控制电流小、无机械震动及噪声、无火花、无触点爆合及接触不良等故障,寿命长,不需经常维修保养等优点。3 光耦三极管和达林顿管用作无触点开关基于光电三极管的无触点开关被称为光电耦合器(photocoupler)。如SharpPC817系列、NECPS2500系列、安捷伦的HCPL260L/060L等。其工作原理如图2-7所示。当输入端加正向电压时发光二极管(LED)点亮,光敏三极管会产生光电流从集电极供给负载;当输入端加反向电压时,LED不发光,使光敏三极管处于截止状态,相当于负载开路。从工作原理看,这类器件主要应用于直流负载,也可用来传输电流方向不

49、变的脉动信号。该器件的工作速度比较高,一般在微秒级或者更快。RR图2-7方波的传递图达林顿管是两个双极性晶体管的复合。达林顿管的最大优点就是实现电流的多级放大,如图2-8所示。缺点就是饱和管压降较大。由于两个晶体管共集电极,整个达林顿管的饱和电压等于晶体管Q2的正向偏置电压与晶体管Q1的饱和电压之和,而正向偏置电压比饱和电压高得多,这样整个达林顿管的饱和电压就特别的高,因此达林顿管导通时的功耗较高。 EmitterEmitterQ2Q1CollectorBase图2-8 达林顿管的等效电路仙童半导体(fairchild)的达林顿光耦合器采用隔离达林顿输出配置,将输入光电二极管和初级增益与输出晶

50、体管分隔开来,以实现较传统达林顿光电晶体管光耦合器更低的输出饱和电压(0.1V)和更高的运作速度。该公司推出5种最新产品,采用单及双沟道配置,提供3.3V或5V工作电压的低功耗特性。双沟道HCPL0730和HCPL0731光耦合器提供5V电压操作和SOIC-8封装,能实现最佳的安装密度。单沟道FOD070L、FOD270L及双沟道FOD073L器件的工作电压为3.3V,比较传统的5V部件,其功耗进一步减少33%。NEC公司的芯片PS2802-1/4,PS2702-1,PS2502-1/-2/-4,PS2562-1/-2等也属于达林顿光耦合器。4 MOS或IGBT的无触点开关基于MOS场效应管的

51、无触点开关由于耦合方式不同有很多类,例如采用光电耦合方式的称为光耦合MOS场效应管(OCMOSFET),原理如图2-9所示,虚线框内为OCMOSFET的内部原理图。CCC图2-9 OCMOS FET的典型应用电路电路内部包括光生电压单元,当发光二极管点亮时,该单元给场效应管的栅极电容充电,这样就增大栅极与源极间的电压,使MOS场效应管导通,开关闭合。当发光二极管熄灭时,光生电压单元不再给栅极电容充电,而且内部放电开关自动闭合,强制栅极放电,因此栅源电压迅速下降,场效应管截止,开关断开。OCMOSFET有两种类型:一种是导通型(make-type),常态下为断开;另一种是断开型(break-ty

52、pe);常态下为导通。本文所指的是导通型。光耦合MOS场效应管是交直流通用的,工作速度没有光电耦合器快,为毫秒级,他的输出导通特性与输入电流参数无关。OCMOSFET可以以弱控强,以毫安级的输入电流驱动安级的电流。由于场效应管可以双向导通、导通电阻低的特征,他主要用于中断交流信号,如图2-9所示,因此OCMOSFET又被称为固态继电器(SSR)。MOS场效应管的无触点开关器件很多,例如日本电气公司(NEC)的PS7200系列、ToshibaTLP351系列、松下NaisAQV系列。通常低导通电阻型适用于负载电流较大的场合,例如NECPS710B-1A:导通电阻Ron=0.1(最大),负载电流I

53、L=2.5A(最大),导通时间Ton=5ms。低CR积型的光MOSFET适用于需要切换高速信号的场合,如测量仪表的测试端等。所谓CR积指的是输出级MOSFET的输出电容与接通电阻的乘积,他是评价MOSFET特性的一个参数指标。如NECPS7200H-1A:导通电阻Ron=2.2,CR积为9.2pF,导通时间Ton=0.5ms,负载电流IL绝缘栅双极晶体管IGBT的结构如图2-10所示。这种结构使IGBT既有MOSFET可以获得较大直流电流的优点,又具有双极型晶体管较大电流处理能力、高阻塞电压的优点。这种器件可以连接在开关电路中,就像NPN型的双极型晶体管,两者显著的区别在于IGBT不需要门极电

54、流来维持导通。基于IGBT的无触点开关,例如AgillentHCPL-3140/HCPL-0314系列。 EmitterEmitterGateCollectCollector图2-10 IGBT的等效电路5 复合开关复合开关同时具备了交流接触器和电力电子投切开关二者的优点，不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗较低，不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。它还具备无需外接串联电抗器、输入信号与开关光电隔离、可直接与任何无功补偿控制器配合使用、抗干扰能力强，大容量电容器工作可靠等特点。为了方便选用合适的电路,以下给出了不同类型无触点开关的参考芯片,并比较了各芯片的开关特性。 = 1 * GB3 光耦三极

55、管：型号SharpPC817，适用于直流负载，负载电流0.05A，输入级触发电流IGT为5mA，绝缘电压Vr.m.s.为5000，导通时间Ton是纳秒级。 = 2 * GB3 可控硅：型号ACS108，适用于交流负载，负载电流0.8A，输入级触发电流IGT为10（max）mA,绝缘电压Vr.m.s.为2000。 = 3 * GB3 达林顿管：型号FairchildFOD070L，适用于直流负载，负载电流0.1A，输入级触发电流IGT为0.5mA,绝缘电压Vr.m.s.为2500，导通时间Ton是纳秒级。 = 4 * GB3 OCMOS-FET：型号PS7206-1A，适用于交直流负载，负载电流

56、0.6A，输入级触发电流IGT为10mA，绝缘电压Vr.m.s.为1500，导通电阻Ron为0.6，导通时间Ton = 5 * GB3 OCMOS-FET：型号松下AQV112KL，适用于交直流负载，负载电流0.5A，输入级触发电流IGT为10（max）mA,绝缘电压Vr.m.s.为1500，导通电阻Ron为0.55，导通时间Ton = 6 * GB3 IGBT：型号AgilentHCPL-3150，适用于交直流负载，负载电流0.5A，输入级触发电流IGT为5（max）mA,绝缘电压Vr.m.s.为1500，导通时间Ton是纳秒级。2.3 双向可控硅的应用为正常使用双向可控硅，需定量掌握其主要

57、参数，对双向可控硅进行适当选用并采取相应措施以达到各参数的要求10。1 耐压级别的选择11：通常把VDRM(断态重复峰值电压)和VRRM(反向重复峰值电压)中较小的值标作该器件的额定电压。选用时，额定电压应为正常工作峰值电压的2 通态(峰值)电压VTM的选择：它是可控硅通以规定倍数额定电流时的瞬态峰值压降。为减少可控硅的热损耗，应尽可能选择V3 维持电流：IH是维持可控硅保持通态所必需的最小主电流，它与结温有关，结温越高，则I4 电压上升率的抵制：dv/dt指的是在关断状态下电压的上升斜率，这是防止误触发的一个关键参数。此值超限将可能导致可控硅出现误导通的现象。由于可控硅的制造工艺决定了A2与

58、G之间会存在寄生电容，如图2-11所示。我们知道dv/dt的变化在电容的两端会出现等效电流，这个电流就会成为Ig，也就是出现了触切换电压上升率dvCOM/dt。驱动高电抗性的负载时，负载电压和电流的波形间通常发生实质性的相位移动。当负载电流过零时双向可控硅发生切换，由于相位差电压并不为零。这时双向可控硅须立即阻断该电压。产生的切换电压上升率(dvCOM/dt)若超过允许值，会迫使双向可控硅回复导通状态， GGig=cdv/dtdv/dtVTtT2T1ParasiticCapacitor图2-11 双向可控硅等效示意图5 电流上升率的抑制：电流上升率的影响主要表现在以下两个方面 ： = 1 *

59、GB3 dIT/dt(导通时的电流上升率)当双向可控硅或闸流管在门极电流触发下导通，门极临近处立即导通，然后迅速扩展至整个有效面积。这迟后的时间有一个极限，即负载电流上升率的许可值。过高的dIT/dt可能导致局部烧毁，并使T1-T2短路。假如过程中限制dIT/dt到一较低的值，双向可控硅可能可以幸存。因此，假如双向可控硅的VDRM = 2 * GB3 dICOM/dt(切换电流变化率)导致高dICOM/dt值的因素是:高负载电流、高电网频率(假设正弦波电流)或者非正弦波负载电流,它们引起的切换电流变化率超出最大的允许值，使双向可控硅甚至不能支持50Hz波形由零上升时不大的dv/dt，加入一几m

60、H的电感和负载串联，可以限制dICOM/dt。6 门极参数的选用12：门极触发电流为了使可控硅可靠触发，触发电流Igt选择25度时max值的a倍，a为门极触发电流结温特性系数，查数据手册可得，取特性曲线中最低工作温度时的系数。若对器件工作环境温度无特殊需要，通常a取大于1.5倍即可。门极压降可以选择Vgt25度时max值的b倍。b为门极触发电压结温特性系数，查数据手册可得，取特性曲线中最低工作温度时的系数。若对器件工作环境温度无特殊需要，通常b取11.2倍即可。触发电阻Rg=(Vcc-Vgt)/Igt触发脉冲宽度为了导通闸流管(或双向可控硅)，除了要门极电流IGT，还要使负载电流达到I在电子噪