電氣工程及其自動化畢業(yè)設(shè)計(jì)-tsc無功補(bǔ)償裝置無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)研究(含外文翻譯)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　TSC無功補(bǔ)償裝置無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)研究</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及

2、其自動化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p>　　TSC無功補(bǔ)償裝置無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)研究</p&g

3、t;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著電力電子裝置的飛速發(fā)展與應(yīng)用，在低壓配電系統(tǒng)中，由于配電變壓器、低壓用電設(shè)備等無功負(fù)荷的大量存在，電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量無功功率，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)電壓質(zhì)量，使無功補(bǔ)償技術(shù)在電網(wǎng)改造中的應(yīng)用越來越廣泛。TSC裝置對增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，保證電壓質(zhì)量及改善電能質(zhì)量都能發(fā)揮良好的作用。因此，晶閘管投切電容器（TSC）

4、無觸點(diǎn)開關(guān)的應(yīng)用對無功功率補(bǔ)償技術(shù)有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　本論文首先回顧了投切開關(guān)的發(fā)展歷史、無功補(bǔ)償技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。系統(tǒng)地闡述了晶閘管投切電容器（TSC）無觸點(diǎn)開關(guān)的理論背景、工作原理及補(bǔ)償方式，同時(shí)對各類無觸點(diǎn)開關(guān)進(jìn)行比較分析，熟悉了它們?nèi)绾卧赥SC裝置中取得應(yīng)用。</p><p>　　文中還對可控硅開關(guān)進(jìn)行了簡要描述，包括可控硅開關(guān)的主電路電氣結(jié)構(gòu)、

5、主電路中的重要元件參數(shù)的選擇、可控硅開關(guān)的觸發(fā)系統(tǒng)構(gòu)成以及過零檢測電路構(gòu)成。</p><p>　　綜合上述原理，設(shè)計(jì)了一種可控硅開關(guān)系統(tǒng)，通過對不同信號的采集，使之完成投切電容器達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?lt;/p><p>　　關(guān)鍵詞 　無功補(bǔ)償，無觸點(diǎn)開關(guān)，晶閘管投切電容器，可控硅開關(guān)</p><p>　　The research on the technology of

6、 non-contact switch for TSC reactive power compensation device </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the rapid development of the power electronic devices and applications, because

7、 a large number of reactive load in the low voltage 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 wi

8、dely in electric network reconstruction, It seriously affects the quality of voltage in electric network . TSC devices can play the good role in enhancing the system stability, improving the econo</p><p>　　T

9、his 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 pr

10、inciple and compensation devices in thyristor switched capacitor (TSC) for non-contact switch.</p><p>　　It also included the brief description of SCR switch in the paper, for exemple, the electric structure

11、of main circuit, the selection of important element parameters of main circuit, the composition of trigger system and zero cross detection circuits.</p><p>　　Above all, I design a kind of SCR switch to colle

12、ct different signals to achieve the purpose of reactive power compensation.</p><p>　　Keywords Reactive power compensation; non-contact switch; Thyristor Switched Capacitor; SCR switch</p><p>&l

13、t;b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的

14、研究現(xiàn)狀與發(fā)展2</p><p>　　1.2.1 靜止無功補(bǔ)償?shù)难芯楷F(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 靜止無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢3</p><p>　　1.3 本文主要內(nèi)容4</p><p>　　第2章 無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)及其在TSC裝置中的應(yīng)用5</p><p>　　2.1 TSC無功補(bǔ)償裝置5</p

15、><p>　　2.1.1 晶閘管投切電容器5</p><p>　　2.1.2 TSC無功補(bǔ)償裝置8</p><p>　　2.2 無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)12</p><p>　　2.3 雙向可控硅的應(yīng)用17</p><p>　　2.4 復(fù)合開關(guān)的應(yīng)用19</p><p>　　2.5 TSC無功補(bǔ)償

16、應(yīng)用主回路20</p><p>　　2.6 本章小結(jié)21</p><p>　　第3章 可控硅開關(guān)的硬件設(shè)計(jì)22</p><p>　　3.1 整體電路結(jié)構(gòu)22</p><p>　　3.2 可控硅工作原理26</p><p>　　3.3 可控硅開關(guān)觸發(fā)的基本原理27</p><p>　　

17、3.4 過零檢測電路28</p><p>　　3.5 可控硅開關(guān)的觸發(fā)電路29</p><p>　　3.6 故障檢測電路30</p><p>　　3.7 本章小結(jié)31</p><p>　　第4章 可控硅開關(guān)的程序流程32</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計(jì)32</p><p>　

18、　4.2 可控硅投切的時(shí)序控制及其觸發(fā)流程33</p><p>　　4.2.1 可控硅投切的時(shí)序控制流程33</p><p>　　4.2.2 可控硅觸發(fā)流程34</p><p>　　4.3 故障檢測與保護(hù)34</p><p>　　4.4 本章小結(jié)35</p><p><b>　　結(jié)論36</

19、b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　附錄40</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　

20、　1.1 課題背景1</p><p>　　1.2 MSBS中電磁場研究現(xiàn)狀錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　1.3 本文主要內(nèi)容4</p><p>　　第2章 電磁場有限元分析理論簡介及電源系統(tǒng)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.1 麥克斯韋方程組錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.2

21、電磁場分析方法錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3 有限單元法的基本原理及其在電磁場中的應(yīng)用錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3.1 電磁場基本理論錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3.2 邊界條件與邊值關(guān)系錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.3.3 有限單元法在電磁場中的應(yīng)用錯(cuò)誤！未定義書簽。

22、</p><p>　　2.4 有限元軟件ANSYS簡介錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.5 ANSYS求解步驟錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.6 磁懸掛天平電源系統(tǒng)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　2.7 本章小結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　第3章 磁懸掛天平的二維有限元

23、分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.1 引言錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.2 磁懸掛天平電磁鐵系統(tǒng)簡介錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.2.1 磁懸掛天平電磁鐵結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.2.2 磁懸掛天平電磁場分布錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　

24、　3.3 天平俯仰電磁場的二維分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3.1 俯仰電磁場模型簡介錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3.2 俯仰電磁場的二維分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.3.3 小結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.4 天平偏航電磁場的二維分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p

25、><p>　　3.4.1 偏航電磁場二維模型簡介錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.4.2 偏航電磁場的二維分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.4.3 小結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5 天平軸向電磁場的二維分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5.1 軸向電磁場模型簡

26、介錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5.2 軸向電磁場的二維分析錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.5.3 小結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　3.6 本章小結(jié)錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p><b>　　結(jié)論37</b></p><p><b>　

27、　致謝38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p>　　附錄錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　PLANE53--二維8-節(jié)點(diǎn)磁實(shí)體單元錯(cuò)誤！未定義書簽。</p><p>　　千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點(diǎn)右鍵“更新域”，然后“更新整個(gè)目錄”

28、。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p><p>　　在低壓配電系統(tǒng)中，由于低壓用電設(shè)備等無功負(fù)荷的大量存在，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量無功功率。無功功率由電路中的儲能元件（電容或電感）引起，它不是無用功率，能為能量的

29、交換、輸送、轉(zhuǎn)換創(chuàng)造必要的條件，它表示有能量交換，但不消耗功率，其幅值可作為能量交換的量度[1]。傳統(tǒng)上無功功率一般采用平均無功功率概念，它是電路中儲能元件與電源間交換功率的最大值，也是儲能元件與電源間交換能量的一種量度。</p><p>　　目前世界范圍內(nèi)掀起環(huán)境保護(hù)和節(jié)能的熱潮，電力系統(tǒng)是一種特定的環(huán)境，公用電網(wǎng)中出現(xiàn)的無功功率，由電網(wǎng)本身的運(yùn)行規(guī)律所決定，但它給電網(wǎng)運(yùn)行帶來了許多麻煩?，F(xiàn)代電網(wǎng)中，電動機(jī)等感

30、性負(fù)荷占據(jù)相當(dāng)大比重。它們在消耗有功功率的同時(shí)，也需要吸收大量無功功率。無功功率的出現(xiàn)不僅導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出力下降，降低了輸配電設(shè)備效率，而且還增大了網(wǎng)損，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。目前，低壓系統(tǒng)補(bǔ)償中，主要采取變電所集中補(bǔ)償方式，對大型用電設(shè)備則采取分散補(bǔ)償。隨著人民生活水平提高，低壓用戶，特別是住宅用戶的用電量大幅增長。然而，由于廠礦單位、住宅小區(qū)、部隊(duì)營區(qū)等配電線路更新改造速度相對滯后，導(dǎo)致線路末端電壓遠(yuǎn)低于允許范圍，致使洗衣機(jī)、空調(diào)等非照明設(shè)

31、備難以正常工作，并對電器設(shè)備造成巨大危害。同時(shí)，由于新增電氣負(fù)載大量采用電動機(jī)、壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備和電力電子裝置，對無功功率需求很大，因而導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)部線路損耗顯著增大。解決這一問題，目前主要措施是增容，即擴(kuò)大變壓器和配電線路容量，從而提高供電能力。但是，增容一方面投資大，施工工程量大，周期長，另一方面由于末端無功仍需由低壓側(cè)集中補(bǔ)償系統(tǒng)提供，輸電線路利用效率仍然較低。因此,有效減小線路無</p><p>　　為了降

32、低線損、提高功率因數(shù)，通常是通過低壓無功自動補(bǔ)償裝置將低壓電容器組接在配電變壓器的二次側(cè)和大功率感性負(fù)載的母線上，對變壓器和感性負(fù)載自動進(jìn)行無功補(bǔ)償，使功率因數(shù)保持在0.9—0.95或更高，取得了較好的效果。隨著“兩網(wǎng)改造”工作的深入開展，各種低壓無功自動補(bǔ)償裝置的應(yīng)用越來越廣泛[3]。裝置中使用了交流接觸器、投切專用交流接觸器、可控硅功率模塊、固態(tài)繼電器等作為并聯(lián)電容器的投切開關(guān)，并聯(lián)電容器的投切開關(guān)對裝置的性能具有決定性的影響，因而

33、合理的選擇投切開關(guān)就顯得十分重要[4]。</p><p>　　靜止無功補(bǔ)償技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展</p><p>　　靜止無功補(bǔ)償是保持電網(wǎng)高質(zhì)量運(yùn)行的一種手段，正在受到越來越多的關(guān)注。電網(wǎng)中無功不平衡主要有兩方面原因：一方面是輸送部門傳送的三相電的質(zhì)量不高；一方面是用戶的電氣性能不夠好。這兩方面的原因綜合起來導(dǎo)致了無功的大量存在。</p><p>　　靜止無功補(bǔ)償?shù)?/p>

34、研究現(xiàn)狀</p><p>　　早期的無功補(bǔ)償裝置為靜電電容器和同步補(bǔ)償器，多用在系統(tǒng)的高壓側(cè)進(jìn)行集中補(bǔ)償。并聯(lián)電容器補(bǔ)償至今仍是一種主要的補(bǔ)償方式，應(yīng)用范圍很廣。同步補(bǔ)償器實(shí)質(zhì)是同步電動機(jī)，當(dāng)勵磁電流變化時(shí)，電動機(jī)可隨之平滑地改變輸出無功電流的大小和方向，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行很有好處。但同步補(bǔ)償器成本高、安裝復(fù)雜及維護(hù)困難的缺點(diǎn)，使其應(yīng)用受到限制。</p><p>　　20世紀(jì)70年代以來

35、，隨著研究的進(jìn)一步加深出現(xiàn)了一種靜止無功補(bǔ)償技術(shù)。這種技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新、發(fā)展完善的過程。所謂靜止無功補(bǔ)償是指用不同的靜止開關(guān)投切電容器或電抗器，使其具有吸收和發(fā)出無功電流的能力，用于提高電力系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，抑制系統(tǒng)振蕩等功能。目前這種靜止開關(guān)主要分為兩種，即斷路器和電力電子開關(guān)。由于用斷路器作為接觸器，其開關(guān)速度較慢，約為10～30s，不可能快速跟蹤負(fù)載無功功率的變化，而且投切電容器時(shí)常會引起較為

36、嚴(yán)重的沖擊涌流和操作過電壓，這樣不但易造成接觸點(diǎn)燒焊，而且使補(bǔ)償電容器內(nèi)部擊穿，所受的應(yīng)力大，維修量大。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，交流無觸點(diǎn)開關(guān)SCR、GTR、GTO等的出現(xiàn)，將其作為投切開關(guān)，速度可以提高500倍（約為10 ），對任何系統(tǒng)參數(shù)，無功補(bǔ)償都可以在一個(gè)周波內(nèi)完成，而且可以進(jìn)行單相調(diào)節(jié)?，F(xiàn)今所指的靜止無功補(bǔ)償裝置一般專指使用晶閘管的無功補(bǔ)償設(shè)備，主要有具有飽和電抗器的靜止無功補(bǔ)償裝置(SR),晶閘管控制電

37、抗器(TCR),晶閘管投切電容器(TSC)和采用自換相變流技術(shù)的靜止無功補(bǔ)償裝置——高級靜止無功發(fā)生</p><p>　　早期的SVC是飽和電抗器（SR）型的，盡管它具有靜止型的優(yōu)點(diǎn)[5]，但它需要工作在飽和狀態(tài)，損耗和噪聲都很大，而且存在非線性的問題，因而未能占據(jù)SVC的主流。電容器是靜止設(shè)備，具有運(yùn)行維護(hù)簡單、無噪音、損耗低、效率高的特點(diǎn)，使并聯(lián)電容器補(bǔ)償方式具有結(jié)構(gòu)比較簡單，控制方便的優(yōu)點(diǎn)，因此它在補(bǔ)償方面

38、得到了廣泛應(yīng)用。并聯(lián)電容器補(bǔ)償可采用固定電容器（FC）補(bǔ)償和開關(guān)投切電容器自動補(bǔ)償兩種形式。前者由于不能調(diào)節(jié)，不能進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償；后者采用開關(guān)投切電容器，能進(jìn)行動態(tài)無功補(bǔ)償，在無功補(bǔ)償中占據(jù)重要地位。后來出現(xiàn)了專用于投切電容器的接觸器，通過加入限流電阻來抑制涌流。以此類接觸器投切電容器，涌流一般能控制在額定電流的20倍以內(nèi)（通常為10倍左右）。這類加預(yù)投電阻的專用接觸器整體體積較大，由于涌流仍會使交流接觸器觸頭燒毀或粘結(jié)，事實(shí)上在工作時(shí)也

39、沒有真正解決浪涌電流問題，始終是影響開關(guān)本身使用壽命的根本原因。</p><p>　　由此可見，機(jī)械式開關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中存在著一些明顯缺陷，因此它逐漸被無觸點(diǎn)的電力電子器件所代替。1977年，美國GE公司首次在實(shí)際電力系統(tǒng)中演示運(yùn)行了一種使用可控硅控制的靜止無功補(bǔ)償裝置。1978年，在美國電力研究院（EPRI）的支持下，西屋電氣公司（WestinghouseElectricCorp）制造的使用可控硅控制的靜止無功補(bǔ)

40、償裝置投入實(shí)際運(yùn)行。在90年代后期，隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展及半導(dǎo)體電力器件的成熟化，可控硅越來越廣泛地應(yīng)用于SVC裝置中，占據(jù)了靜止無功補(bǔ)償裝置的主導(dǎo)地位。此類產(chǎn)品采用單片機(jī)控制大功率可控硅，在檢測到電網(wǎng)電壓過零時(shí)，開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通，電容器上電壓緩慢上升而無合閘涌流沖擊，從根本上解決了電力電容器投切時(shí)交流接觸器經(jīng)常燒結(jié)而損壞的不良情況。但在實(shí)際運(yùn)行中，無觸點(diǎn)開關(guān)也暴露出其不足之處：①由于可控硅導(dǎo)通后，存在0.7V的結(jié)壓降，因而會產(chǎn)生諧波

41、電流，影響電容器的正常運(yùn)行；②可控硅本身不能快速關(guān)斷，因此開關(guān)在斷開時(shí)，兩端容易承受過高的反向電壓而被燒毀；③可控硅的大功耗特性使其在長期運(yùn)行中，會產(chǎn)生較大的熱量，從而引起過高的溫升，影響它正常工作。</p><p>　　通過分析這兩種不同開關(guān)的特點(diǎn)可知：機(jī)械式接觸器不能較準(zhǔn)確地做到開關(guān)兩端電壓過零時(shí)閉合，在電流過零時(shí)切斷，而無觸點(diǎn)可控硅能做到這一點(diǎn)；相反，在開關(guān)閉合工作時(shí)可控硅會產(chǎn)生損耗和電壓電流諧波，而機(jī)械式

42、接觸器卻能避免這些問題。后來，市場上就有了復(fù)合開關(guān)的出現(xiàn)，它采用無觸點(diǎn)開關(guān)和機(jī)械開關(guān)并聯(lián)的工作結(jié)構(gòu)，投切瞬間無觸點(diǎn)可控硅導(dǎo)通，正常工作時(shí)機(jī)械觸點(diǎn)接入回路并且可控硅退出工作，這樣很好地解決了沖擊涌流和諧波問題，使復(fù)合開關(guān)具有使用壽命長，動作可靠的特點(diǎn)。這種類型的投切開關(guān)在低壓無功補(bǔ)償中得到廣泛的應(yīng)用，在市場上占據(jù)了重要地位，是目前應(yīng)用最廣泛的投切開關(guān)。</p><p>　　靜止無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢</p>

43、<p>　　隨著電力電子技術(shù)的日新月異以及各門學(xué)科的交叉影響，無功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展趨勢主要有以下幾點(diǎn)：</p><p>　　① 在城網(wǎng)改造中，運(yùn)行單位往往需要在配電變壓器的低壓側(cè)同時(shí)加裝無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀，因此提出了無功補(bǔ)償控制器和配電綜合測試儀的一體化的問題。</p><p>　　② 快速準(zhǔn)確地檢測系統(tǒng)的無功參數(shù)，提高動態(tài)響應(yīng)時(shí)間，快速投切電容器，以滿足工作條件較惡劣

44、的情況（如大的沖擊負(fù)荷或負(fù)荷波動較頻繁的場合）。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)和智能控制理論的發(fā)展，可以在無功補(bǔ)償中引入一些先進(jìn)的控制方法，如模糊控制等。</p><p>　?、?目前無功補(bǔ)償技術(shù)還主要用于低壓系統(tǒng)。高壓系統(tǒng)由于受到晶閘管耐壓水平的限制，無功補(bǔ)償裝置不能得到廣泛的應(yīng)用。因此，研制高壓動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置則具有重要意義，關(guān)鍵是解決補(bǔ)償裝置晶閘管和二極管的耐壓問題。</p><p>　　

45、④ 由單一的無功功率補(bǔ)償?shù)骄哂袨V波以及抑制諧波的功能。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和電力電子產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，供電系統(tǒng)或負(fù)荷中含有大量諧波。研制開發(fā)兼有無功補(bǔ)償與電力濾波器雙重優(yōu)點(diǎn)的晶閘管開關(guān)濾波器，將成為改善系統(tǒng)功率因數(shù)、抑制諧波、穩(wěn)定系統(tǒng)電壓、改善電能質(zhì)量的有效手段。</p><p><b>　　本文主要內(nèi)容</b></p><p>　　本文主要工作內(nèi)容如下：</p

46、><p>　　1. 系統(tǒng)全面地了解晶閘管投切電容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析它的原理和工作過程，了解了其主回路的構(gòu)成，控制方式，投切方式以及補(bǔ)償策略。</p><p>　　2. 分析TSC設(shè)備中的開關(guān)元器件的工作過程和觸發(fā)方式，其中元件包括晶閘管的選型、觸發(fā)電路設(shè)計(jì)、過零檢測電路等。</p><p>　　3. 通過研究無功補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí)對目前幾種無觸點(diǎn)開關(guān)工作特點(diǎn)的比較，以及它們

47、的應(yīng)用，提出用可控硅投切電容器的補(bǔ)償方法。</p><p>　　4. 根據(jù)理論計(jì)算和設(shè)計(jì)參數(shù)，搭建無功補(bǔ)償設(shè)備功率單元的實(shí)驗(yàn)平臺，在實(shí)驗(yàn)平臺上驗(yàn)證設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)及其在TSC裝置中的應(yīng)用</p><p>　　2.1 TSC無功補(bǔ)償裝置</p><p>　　2.1.1 晶閘管投切電容器</p>

48、<p>　　晶閘管投切電容器（TSC）是利用反并聯(lián)晶閘管組成的高壓交流無觸點(diǎn)開關(guān)代替機(jī)械開關(guān)、根據(jù)輸電系統(tǒng)或配電系統(tǒng)的無功功率的控制要求自動投切相應(yīng)的電容器組,使并聯(lián)到電網(wǎng)上的容抗分級變化,從而實(shí)現(xiàn)對無功補(bǔ)償?shù)淖罱K自動控制。</p><p>　?、?晶閘管投切電容器的原理</p><p>　　晶閘管投切電容器組的關(guān)鍵技術(shù)是必須做到投切時(shí)無電流沖擊。晶閘管投切電容器組的原理如圖

49、2-1所示。</p><p>　　圖2-1 晶閘管投切電容器組的原理圖</p><p>　　i(t)=C·duc/dt，L·di(t)/dt+uc(t)=u(t)，得LC·d2uc/dt2+uc(t)=u(t)。</p><p>　　將其進(jìn)行拉氏變換為:</p><p><b>　　（2-1）<

50、/b></p><p><b>　　設(shè)電源電壓</b></p><p><b>　　解得</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中 為電路的諧振角頻率: ;電路的諧振次數(shù): ;電流幅值: </p><p>　

51、　--電容器的初始直流電壓</p><p><b>　　--基波角頻率</b></p><p>　　由式(2-2)可知,電流i(t)由三項(xiàng)組成,第一項(xiàng)為穩(wěn)態(tài)電流,電流超前電壓 ,為使TSC投切電容器組電流無沖擊,必須滿足兩個(gè)條件:</p><p>　　a: 式(2-2)的第三項(xiàng) ,即晶閘管在正弦波電源電壓的正或負(fù)峰值點(diǎn)觸發(fā);</p>

52、<p>　　b: 式(2-2)中的第二項(xiàng)為零 ,即電容器必須預(yù)充電到 ,當(dāng)電路的諧振次數(shù)n為2、3時(shí),其值很大。</p><p>　　式(2-2)的第三項(xiàng)給出當(dāng)觸發(fā)角偏離最佳點(diǎn)時(shí)的振蕩電流的幅值;式(2-2)中的第二項(xiàng)給出當(dāng) 偏離最佳預(yù)充電值時(shí)振蕩電流的幅值。若使電容器電流 ,則 ,即晶閘管必須在電源電壓的正或負(fù)峰值處觸發(fā)導(dǎo)通電容器組,電容器需預(yù)充電到峰值電壓。</p><p&g

53、t;　　觸發(fā)電路的功能是:電流無沖擊觸發(fā);快速投切,20ms動作。這個(gè)20ms不是得到投切命令到產(chǎn)生動作的時(shí)間,而是從停止到再投入動作的時(shí)間為20ms?？焖俜磻?yīng)時(shí),在平衡補(bǔ)償電路,不能出現(xiàn)不平衡動作,即有的相有電流,有的相沒有。</p><p><b>　?、?主電路</b></p><p>　　TSC投入電容的時(shí)刻,即晶閘管開通時(shí)刻,必須是在電源電壓與電容器預(yù)先充電

54、電壓相等的時(shí)刻。在低壓系統(tǒng)中,為保證投入電容器時(shí)不產(chǎn)生沖擊電流,現(xiàn)有TSC裝置的過零檢測電路一般采用光耦來保證晶閘管閥兩端的電壓過零時(shí)觸發(fā)晶閘管。</p><p>　　晶閘管閥常見的接線方式有兩種:晶閘管與二極管反并聯(lián)接線方式和晶閘管反并聯(lián)接線方式。采用晶閘管與二極管反并聯(lián)的方式投資小,斷開后它可以保持電容電壓為峰值,電容器在電源電壓為峰值時(shí)無電壓差投入,晶閘管在電流過零時(shí)自動切斷。無論電容器的投或切,都不會產(chǎn)生

55、沖擊電流和過電壓,控制簡便,電容器無需放電即可重新投入,從而實(shí)現(xiàn)電容器的頻繁投切。該接線方式存在的問題是,晶閘管承受的最大反向電壓為電源電壓峰值的2倍。</p><p>　　而采取晶閘管反并聯(lián)方式,在晶閘管閥關(guān)斷時(shí)如果采取措施將電容器的殘壓放掉,晶閘管閥承受的最大反向電壓為電源電壓的峰值。晶閘管反并聯(lián)方式可靠性高,即使某相損壞一個(gè)晶閘管,也不會導(dǎo)致電容器誤投入;但投資較大,控制較復(fù)雜。晶閘管和二極管反并聯(lián)方式的響

56、應(yīng)速度比兩晶閘管反并聯(lián)方式稍差。</p><p><b>　?、?控制方式</b></p><p>　　控制物理量不同可分為功率因數(shù)控制、無功功率控制和多參量綜合控制。功率因數(shù)控制是指預(yù)先設(shè)定整定功率因數(shù) ，由檢測到電網(wǎng)實(shí)際功率因數(shù)控制所需補(bǔ)償電容容量。電容器組投入后，當(dāng) ＜ ＜ ，且電壓不超過允許值時(shí)，能運(yùn)行于穩(wěn)定區(qū)。無功功率控制是指測電壓、電流和功率因數(shù)等參數(shù)，計(jì)

57、算出應(yīng)該投入電容容量，然后電容組合方式中選出一種最接近但又不會過補(bǔ)償組合方式，電容器投切一次到位。計(jì)算值小于最小一組電容器容量（下限值），則應(yīng)保持補(bǔ)償狀態(tài)不變。當(dāng)所需容量大于或等于下限值時(shí)，才執(zhí)行要相應(yīng)投切。從控制策略來看，采用功率因數(shù)控制直接明了，但輕載時(shí)容易產(chǎn)生投切震蕩，重載時(shí)又不易達(dá)到充分補(bǔ)償；而采用無功功率控制，檢測和控制目標(biāo)都是同一物理量，技術(shù)上合理，但檢測難度稍大。但僅某一物理量進(jìn)行控制都有其不足，現(xiàn)階段廣泛采用多參量綜合控

58、制，即以功率因數(shù)控制為基礎(chǔ)，以無功功率控制避免投切振蕩，電網(wǎng)電壓上限值和負(fù)載電流下限值作為控制電容器組投切約束條件，實(shí)現(xiàn)電容器組智能綜合控制。高效率微處理芯片使用為實(shí)現(xiàn)多變量綜合控制提供了可能性。比較合理補(bǔ)償應(yīng)做到最大限度利用補(bǔ)償設(shè)備提高電網(wǎng)功率因數(shù)、不發(fā)生過補(bǔ)償、無投切振蕩和無沖擊投切[6]</p><p><b>　?、?投切方式</b></p><p>　　20

59、世紀(jì)70年代補(bǔ)償柜都是采用機(jī)械式交流接觸器，至今仍有沿用。但接觸器三相觸頭不能分別進(jìn)行控制，要通則幾乎一起接通，要斷則幾乎一起斷開，無法選擇最合適相位角投入和切除電容，這樣會產(chǎn)生不同沖擊電流。沖擊電流大，限制了一次投入電容值，把一次投入電容值化整為零，分幾次投入[7]，這將降低補(bǔ)償準(zhǔn)確性和減慢響應(yīng)速度，常會引起接觸器觸頭燒焊現(xiàn)象，使接觸器斷不開，影響正常工作，實(shí)際使用時(shí)不對觸頭經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)和更換，這影響了整個(gè)裝置工作可靠性和工作壽命，也

60、降低了工作準(zhǔn)確性和動作響應(yīng)速度。</p><p>　　現(xiàn)普遍采用單片機(jī)控制大功率晶閘管來投切電容，具有過零檢測[8]、過零觸發(fā)優(yōu)點(diǎn)，響應(yīng)速度快，合閘涌流小，無操作過電壓，無電弧重燃，基本上解決了投切時(shí)交流接觸器經(jīng)常拉弧至于燒結(jié)而損壞不良情況。開關(guān)器件可選擇晶閘管和二極管反并聯(lián)，也可選擇兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)方式。采用晶閘管與二極管反并聯(lián)方式，電容器電源峰值時(shí)投入，晶閘管電流過零時(shí)自動切斷，電容器投或切，都不會產(chǎn)生沖擊電

61、流和過電壓，控制簡便，電容器無需放電即可重新投入，實(shí)現(xiàn)電容器頻繁投切，但晶閘管承受最大反向電壓為電源電壓峰值兩倍。而采取兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)方式，晶閘管關(guān)斷時(shí)，電容器殘壓能迅速放掉，那晶閘管所承受最大反向電壓為電源電壓峰值。兩種方式相比，晶閘管反并聯(lián)方式可靠性更高，損壞一個(gè)晶閘管，會導(dǎo)致電容器誤投入，響應(yīng)速度也比晶閘管和二極管反并聯(lián)方式快，但投資較大，控制更復(fù)雜。</p><p><b>　?、?補(bǔ)償策略&

62、lt;/b></p><p>　　目前可分為三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)兩種。三相共補(bǔ)是三相總無功需求來投切電容器組，電容器接法為三角形。三相分補(bǔ)則是每相各自無功需求投切電容器組，電容器接法為星形。三相共補(bǔ)廣泛采用兩組晶閘管作為控制器件。提高運(yùn)行可靠性，防止電容器和晶閘管損壞，晶閘管投入時(shí)必須要有過零檢測，即當(dāng)晶閘管兩端電壓等于零時(shí)晶閘管才導(dǎo)通。實(shí)際上電壓絕對過零很難做到，會存電流暫態(tài)過程，但線路參數(shù)配合合理，這個(gè)過

63、程持續(xù)時(shí)間不長，并很快過渡到穩(wěn)定狀態(tài)。值注意是，當(dāng)晶閘管切除后，晶閘管和電容器均存著很高殘壓，這對晶閘管和電容器耐壓也提出了更高要求。器件選擇不當(dāng)或保護(hù)不夠，常常會造成晶閘管和電容器燒毀。三相共補(bǔ)適用于三相負(fù)載較平衡場合，三相分補(bǔ)三相負(fù)載不平衡場合則能做到真正三相無功平衡。把三相共補(bǔ)和三相分補(bǔ)相結(jié)合，便實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償綜合方案—混補(bǔ)，可以用于任何負(fù)載。先三角形接法電容器組中選擇三相共同需要補(bǔ)償容量，進(jìn)行共補(bǔ)，然后星形接法電容器組合中選擇單相電容

64、器補(bǔ)償剩余不平衡狀況，既避免了過補(bǔ)或欠補(bǔ)現(xiàn)象出現(xiàn)，又節(jié)省了補(bǔ)償電容容量，降低了成本，具有很好經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　2.1.2 TSC無功補(bǔ)償裝置</p><p>　　使用晶閘管作為電容器的投切開關(guān),其最大優(yōu)點(diǎn)是可以頻繁投切?，F(xiàn)在普遍采用單片機(jī)控制大功率晶閘管來投切電容,由于具有過零檢測、過零觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn),響應(yīng)速度快、合閘涌流小、無操作過電壓,無電弧重燃,從而基本上解決了以往投切時(shí)交流

65、接觸器經(jīng)常拉弧以至于燒結(jié)而損壞的不良情況。開關(guān)器件可選擇晶閘管和二極管反并聯(lián),也可選擇兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)方式,采用晶閘管與二極管反并聯(lián)方式,只要電容器在電源峰值時(shí)投入,晶閘管在電流過零時(shí)自動切斷,無論電容器的投或切,都不會產(chǎn)生沖擊電流和過電壓,電容器無需放電即可重新投入,從而實(shí)現(xiàn)電容器的頻繁投切。</p><p><b>　　1 主電路的介紹</b></p><p>　

66、　TSC無功補(bǔ)償裝置由若干組電容器構(gòu)成,電容器組常用的主電路方案如圖2-2所示。圖1(a)～圖1(d)方案為三角形接線,其中圖1(a)、圖1(b)中的電容器為單相電容器;圖1(c)、圖1(d)中的電容器為三相電容器(內(nèi)部已接成三角形)。</p><p>　　圖2-2 TSC無功補(bǔ)償裝置的主電路圖</p><p>　　圖2-2(a)方案中的無觸點(diǎn)投切開關(guān)由兩只反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成(可選用雙向

67、晶閘管)。當(dāng)晶閘管為正向電壓,且門極上有觸發(fā)信號時(shí),晶閘管導(dǎo)通,電容器投入;當(dāng)去掉觸發(fā)脈沖信號后,電流過零時(shí),晶閘管截止,電容器從電網(wǎng)上切除。所以,剛切除時(shí)電容器上的電壓(稱為殘壓)為電網(wǎng)電壓幅值(或正或負(fù))。</p><p>　　圖2-2(b)方案采用二極管代替部分晶閘管,從而降低裝置的成本。當(dāng)電容器剛切除時(shí),其殘壓為電網(wǎng)電壓幅值(正值)。這種方案的響應(yīng)速度如圖2-2(a)方案。其原因是[9]:在切除電容器時(shí),

68、從切除指令的輸出到第一個(gè)電力電子器件截止,方案圖2-2(a)在半個(gè)周波內(nèi)完成,即不大于10ms;方案圖2-2(b)則由于二極管的不可控性,通常要大于半個(gè)周波才能被切除,但切除時(shí)間一般不會超過一個(gè)周波,即不大于20ms。</p><p>　　圖2-2(d)方案省掉了一相的晶閘管,同樣可以控制三相電容器的投切。圖2-2(e)方案和圖2-2(f)方案為Y形接線,可在三相負(fù)荷不平衡的電路中作為分相補(bǔ)償。</p>

69、;<p>　　常用的TSC無功補(bǔ)償裝置采用圖2-2(a)方案。晶閘管電壓值 的選擇要考慮電力電容器上的充電電壓,可按式2-1進(jìn)行選擇。晶閘管電流值 可按 選擇，式中： 為50Hz，C為電容（ ）。</p><p>　　2 投切判據(jù)與信號檢測</p><p>　　TSC無功補(bǔ)償裝置通過檢測負(fù)荷側(cè)無功電流幅值作為電力電容器的投切判據(jù)。根據(jù)電容器無功補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖2-3,其原理如下

70、述,設(shè)節(jié)點(diǎn)電壓為: ;負(fù)荷電流為 ，即： ，其中 ， 分別為有功、無功電流分量。當(dāng) 時(shí)， 。</p><p>　　圖2-3 電容器補(bǔ)償系統(tǒng)示意圖</p><p>　　可見,只要測量在電壓正向過零時(shí)刻的負(fù)載電流,就可得到無功電流幅值 。這種無功電流檢測方法簡單、快速(在一個(gè)周期內(nèi)只要采樣一次)。</p><p>　　由圖2-3可知， ,如果使 ，則實(shí)現(xiàn)了完全補(bǔ)償。由

71、： ，對于感性負(fù)荷， 為負(fù)； ，可得： </p><p>　　即為全補(bǔ)償所需投切的電容量。若 為負(fù),則是切除相應(yīng)容量的電容器;反之,則應(yīng)投入相應(yīng)容量的電容器。</p><p><b>　　3 零電壓投入問題</b></p><p>　　在電容器切除后重新投入時(shí),若晶閘管導(dǎo)通(電容器接入電網(wǎng))時(shí)的電網(wǎng)電壓與電容器殘壓相差較大,就會由于電容器上的電

72、壓不能突變,而產(chǎn)生很大的電流沖擊(合閘涌流),這一沖擊很可能損壞晶閘管,或給電網(wǎng)帶來高頻沖擊。為了使電容器投入時(shí)不引起涌流沖擊,必須選準(zhǔn)晶閘管觸發(fā)的理想時(shí)刻,即保證晶閘管導(dǎo)通時(shí)電網(wǎng)電壓與電容器殘壓大小相等、極性一致,這就要預(yù)先測知電容器殘壓,為解決這一問題,可考慮以下方案:</p><p>　　(1)加放電電阻。每次切除電容器后,通過專門的放電電阻對電容器放電,使電容器殘壓接近為零,晶閘管在電網(wǎng)電壓過零時(shí)投入。這

73、一方案要增加無功補(bǔ)償裝置的成本,并且電容器切除后自動接入放電電阻的電路也較復(fù)雜。</p><p>　　(2)電容器預(yù)充電。投入電容器之前對其預(yù)充電,充電到電網(wǎng)電壓的峰值,在電網(wǎng)電壓峰值時(shí)觸發(fā)晶閘管。這種方法將使主電路變得很復(fù)雜,并且延長了電容器的投入時(shí)間。</p><p>　　(3)主電路采用晶閘管與二極管反并聯(lián)方式。如圖2-2(b)所示方案中,電容器投入前其電壓總是維持在電網(wǎng)電壓的峰值,

74、一旦電容器電壓比電網(wǎng)電壓峰值有所降低,二極管都會將其電壓充電至電網(wǎng)峰值電壓。只要在電網(wǎng)電壓峰值時(shí)觸發(fā)晶閘管,就可避免電流沖擊。</p><p>　　(4)檢測晶閘管兩端電壓的零電壓觸發(fā)方式。由于電容器殘壓的不確定性,晶閘管上的電壓是一個(gè)不能根據(jù)電網(wǎng)電壓計(jì)算的值,但可通過檢測晶閘管兩端(陽極和陰極)的電壓來確定電網(wǎng)電壓與電容器殘壓是否相等。當(dāng)檢測到晶閘管兩端電壓相等(電壓差為零)時(shí),觸發(fā)晶閘管。其電路原理框圖如圖2

75、-4所示。</p><p>　　圖2-4零電壓觸發(fā)原理框圖</p><p><b>　　4 晶閘管觸發(fā)電路</b></p><p>　　TSC無功補(bǔ)償裝置的控制系統(tǒng)由單片機(jī)、信號檢測電路、晶閘管觸發(fā)電路、以及其人機(jī)接口電路等部分組成。圖2-5是觸發(fā)電路的原理框圖。</p><p>　　圖2-5觸發(fā)電路的原理框圖</

76、p><p>　　同步脈沖形成電路的作用是消除電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定造成的觸發(fā)誤差。如果在單片機(jī)中以工頻周期20ms作為產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號的時(shí)間基準(zhǔn),由于電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定,將會產(chǎn)生觸發(fā)誤差。同步脈沖形成電路能保證使晶閘管觸發(fā)脈沖信號與電網(wǎng)工頻信號同步。如圖2-5所示,電網(wǎng)工頻電壓信號經(jīng)鎖相環(huán)鎖相后再次形成50Hz工頻信號,然后進(jìn)行過零比較,整形輸出,送入單片機(jī)HS1.0端口,輸出的控制信號為HS0.0端口在軟件定時(shí)控制下產(chǎn)生與電源

77、同步的可移相的脈沖信號,此脈沖信號與單片機(jī)的P1.0～5端口輸出的信號組合后,經(jīng)脈沖變壓器驅(qū)動,最后分別送給主電路中6個(gè)晶閘管的門極,觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。</p><p><b>　　無觸點(diǎn)開關(guān)技術(shù)</b></p><p>　　無觸點(diǎn)開關(guān)分為磁放大器式無觸點(diǎn)開關(guān)，電子管、離子管式無觸點(diǎn)開關(guān)和半導(dǎo)體無觸點(diǎn)開關(guān)。各種無觸點(diǎn)開關(guān)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，開關(guān)特性也有所不同，詳細(xì)了解每種

78、類型的內(nèi)部開關(guān)原理以及開關(guān)特性，有利于開發(fā)人員根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選擇合適的無觸點(diǎn)開關(guān)。磁放大器式無觸點(diǎn)開關(guān)體積與重量較大且電流轉(zhuǎn)換速度慢，已較少采用；電子管、離子管式無觸點(diǎn)開關(guān)由于電子管、離子管的功率不能做得很大，在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大的限制，也已較少使用。</p><p>　　半導(dǎo)體無觸點(diǎn)開關(guān)是借電路中半導(dǎo)體器件的可控導(dǎo)通斷來實(shí)現(xiàn)電路通斷的一種開關(guān)電器。它是20世紀(jì)50年代后發(fā)展起來的一種開關(guān)，可用晶體管或晶閘

79、管組成，由于晶體管受到功率的限制，大都采用晶閘管及其控制電路組成。半導(dǎo)體無觸點(diǎn)開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是：電流可以做得較大，耐反壓值高，控制門極功耗小，導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間短，工作壽命長，環(huán)境適應(yīng)性好，工作效率高等。例如，對有觸點(diǎn)的接觸器，操作頻率高于36次/h以上時(shí)就很困難了，但對半導(dǎo)體式無觸點(diǎn)開關(guān)則操作頻率每小時(shí)可達(dá)數(shù)萬次至數(shù)十萬次以上。</p><p>　　三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的無觸點(diǎn)開關(guān)</p><p>　

80、　圖2-6是利用三端穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的開關(guān)電路。從控制端加入的信號決定是否將三端穩(wěn)壓器與地導(dǎo)通。若導(dǎo)通則輸出端上電,否則輸出端相當(dāng)于斷開。此電路十分簡單,也容易調(diào)試,且有多種電壓的穩(wěn)壓器供選用,適用于直流負(fù)載的控制。缺點(diǎn)是穩(wěn)壓器的管壓降使輸出電壓有所降低,不適合電池供電的設(shè)備。選用低壓差三端穩(wěn)壓器會有所改善。</p><p>　　圖2-6三端穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)的控制開關(guān)</p><p>　　2　可控硅器

81、件的無觸點(diǎn)開關(guān)</p><p>　　可控硅開關(guān)的原理是通過電壓、電流過零檢測控制，保證在電壓零區(qū)附近投入電容器組，從而避免了合閘涌流的產(chǎn)生，而切斷又在電流過零時(shí)完成，避免了暫態(tài)過電壓的出現(xiàn)，這就從功能上符合了電容器的過零投切的要求，另外由于可控硅的觸發(fā)次數(shù)沒有限制，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)動態(tài)補(bǔ)償（響應(yīng)時(shí)間在毫秒級），因此適用于電容器的頻繁投切，非常適用于頻繁變化的負(fù)荷情況，相對于交流接觸器有了質(zhì)的飛躍。但可控硅對電壓變化率（

82、dv/dt）非常敏感，遇到操作過電壓及雷擊等電壓突變的情況很容易誤導(dǎo)通而被涌流損壞，即使安裝避雷器也無濟(jì)于事，因?yàn)楸芾灼髦荒芟拗齐妷旱姆逯?，并不能降低電壓變化率?？煽毓锜o觸點(diǎn)開關(guān)具有反應(yīng)速度快、控制電流小、無機(jī)械震動及噪聲、無火花、無觸點(diǎn)爆合及接觸不良等故障,壽命長,不需經(jīng)常維修保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　3 光耦三極管和達(dá)林頓管用作無觸點(diǎn)開關(guān)</p><p>　　基于光電三極管的

83、無觸點(diǎn)開關(guān)被稱為光電耦合器(photocoupler)。如SharpPC817系列、NECPS2500系列、安捷倫的HCPL260L/060L等。其工作原理如圖2-7所示。當(dāng)輸入端加正向電壓時(shí)發(fā)光二極管(LED)點(diǎn)亮,光敏三極管會產(chǎn)生光電流從集電極供給負(fù)載;當(dāng)輸入端加反向電壓時(shí),LED不發(fā)光,使光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài),相當(dāng)于負(fù)載開路。從工作原理看,這類器件主要應(yīng)用于直流負(fù)載,也可用來傳輸電流方向不變的脈動信號。該器件的工作速度比較高,一

84、般在微秒級或者更快。</p><p>　　圖2-7方波的傳遞圖</p><p>　　達(dá)林頓管是兩個(gè)雙極性晶體管的復(fù)合。達(dá)林頓管的最大優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)電流的多級放大,如圖2-8所示。缺點(diǎn)就是飽和管壓降較大。由于兩個(gè)晶體管共集電極,整個(gè)達(dá)林頓管的飽和電壓等于晶體管Q2的正向偏置電壓與晶體管Q1的飽和電壓之和,而正向偏置電壓比飽和電壓高得多,這樣整個(gè)達(dá)林頓管的飽和電壓就特別的高,因此達(dá)林頓管導(dǎo)通時(shí)的

85、功耗較高。</p><p>　　圖2-8 達(dá)林頓管的等效電路</p><p>　　仙童半導(dǎo)體(fairchild)的達(dá)林頓光耦合器采用隔離達(dá)林頓輸出配置,將輸入光電二極管和初級增益與輸出晶體管分隔開來,以實(shí)現(xiàn)較傳統(tǒng)達(dá)林頓光電晶體管光耦合器更低的輸出飽和電壓(0.1V)和更高的運(yùn)作速度。該公司推出5種最新產(chǎn)品,采用單及雙溝道配置,提供3.3V或5V工作電壓的低功耗特性。雙溝道HCPL0730

86、和HCPL0731光耦合器提供5V電壓操作和SOIC-8封裝,能實(shí)現(xiàn)最佳的安裝密度。單溝道FOD070L、FOD270L及雙溝道FOD073L器件的工作電壓為3.3V,比較傳統(tǒng)的5V部件,其功耗進(jìn)一步減少33%。NEC公司的芯片PS2802-1/4,PS2702-1,PS2502-1/-2/-4,PS2562-1/-2等也屬于達(dá)林頓光耦合器。</p><p>　　4 MOS或IGBT的無觸點(diǎn)開關(guān)</p&g

87、t;<p>　　基于MOS場效應(yīng)管的無觸點(diǎn)開關(guān)由于耦合方式不同有很多類,例如采用光電耦合方式的稱為光耦合MOS場效應(yīng)管(OCMOSFET),原理如圖2-9所示,虛線框內(nèi)為OCMOSFET的內(nèi)部原理圖。</p><p>　　圖2-9 OCMOS FET的典型應(yīng)用電路</p><p>　　電路內(nèi)部包括光生電壓單元,當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r,該單元給場效應(yīng)管的柵極電容充電,這樣就增大柵極

88、與源極間的電壓,使MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通,開關(guān)閉合。當(dāng)發(fā)光二極管熄滅時(shí),光生電壓單元不再給柵極電容充電,而且內(nèi)部放電開關(guān)自動閉合,強(qiáng)制柵極放電,因此柵源電壓迅速下降,場效應(yīng)管截止,開關(guān)斷開。OCMOSFET有兩種類型:一種是導(dǎo)通型(make-type),常態(tài)下為斷開;另一種是斷開型(break-type);常態(tài)下為導(dǎo)通。本文所指的是導(dǎo)通型。光耦合MOS場效應(yīng)管是交直流通用的,工作速度沒有光電耦合器快,為毫秒級,他的輸出導(dǎo)通特性與輸入電流參數(shù)

89、無關(guān)。OCMOSFET可以以弱控強(qiáng),以毫安級的輸入電流驅(qū)動安級的電流。由于場效應(yīng)管可以雙向?qū)?、?dǎo)通電阻低的特征,他主要用于中斷交流信號,如圖2-9所示,因此OCMOSFET又被稱為固態(tài)繼電器(SSR)。</p><p>　　MOS場效應(yīng)管的無觸點(diǎn)開關(guān)器件很多,例如日本電氣公司(NEC)的PS7200系列、ToshibaTLP351系列、松下NaisAQV系列。通常低導(dǎo)通電阻型適用于負(fù)載電流較大的場合,例如NEC

90、PS710B-1A:導(dǎo)通電阻Ron=0.1Ω(最大),負(fù)載電流 =2.5A(最大),導(dǎo)通時(shí)間Ton=5ms。低CR積型的光MOSFET適用于需要切換高速信號的場合,如測量儀表的測試端等。所謂CR積指的是輸出級MOSFET的輸出電容與接通電阻的乘積,他是評價(jià)MOSFET特性的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)。如NECPS7200H-1A:導(dǎo)通電阻Ron=2.2Ω,CR積為9.2pF·Ω,導(dǎo)通時(shí)間Ton=0.5ms,負(fù)載電流 =160mA。</

91、p><p>　　絕緣柵雙極晶體管IGBT的結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。這種結(jié)構(gòu)使IGBT既有MOSFET可以獲得較大直流電流的優(yōu)點(diǎn),又具有雙極型晶體管較大電流處理能力、高阻塞電壓的優(yōu)點(diǎn)。這種器件可以連接在開關(guān)電路中,就像NPN型的雙極型晶體管,兩者顯著的區(qū)別在于IGBT不需要門極電流來維持導(dǎo)通?；贗GBT的無觸點(diǎn)開關(guān),例如AgillentHCPL-3140/HCPL-0314系列。</p><p>

92、;　　圖2-10 IGBT的等效電路</p><p><b>　　5 復(fù)合開關(guān)</b></p><p>　　復(fù)合開關(guān)同時(shí)具備了交流接觸器和電力電子投切開關(guān)二者的優(yōu)點(diǎn)，不但抑制了涌流、避免了拉弧而且功耗較低，不再需要配備笨重的散熱器和冷卻風(fēng)扇。它還具備無需外接串聯(lián)電抗器、輸入信號與開關(guān)光電隔離、可直接與任何無功補(bǔ)償控制器配合使用、抗干擾能力強(qiáng)，大容量電容器工作可靠等特

93、點(diǎn)。</p><p>　　為了方便選用合適的電路,以下給出了不同類型無觸點(diǎn)開關(guān)的參考芯片,并比較了各芯片的開關(guān)特性。</p><p>　?、?光耦三極管：型號SharpPC817，適用于直流負(fù)載，負(fù)載電流0.05A，輸入級觸發(fā)電流 為5mA，絕緣電壓 為5000，導(dǎo)通時(shí)間 是納秒級。</p><p>　?、?可控硅：型號ACS108，適用于交流負(fù)載，負(fù)載電流0.8A

94、，輸入級觸發(fā)電流 為10（max）mA,絕緣電壓 為2000。</p><p>　?、?達(dá)林頓管：型號FairchildFOD070L，適用于直流負(fù)載，負(fù)載電流0.1A，輸入級觸發(fā)電流 為0.5mA,絕緣電壓 為2500，導(dǎo)通時(shí)間 是納秒級。</p><p>　?、?OCMOS-FET：型號PS7206-1A，適用于交直流負(fù)載，負(fù)載電流0.6A，輸入級觸發(fā)電流 為10mA，絕緣電壓 為15

95、00，導(dǎo)通電阻 為0.6Ω，導(dǎo)通時(shí)間 是毫秒級。</p><p>　?、?OCMOS-FET：型號松下AQV112KL，適用于交直流負(fù)載，負(fù)載電流0.5A，輸入級觸發(fā)電流 為10（max）mA,絕緣電壓 為1500，導(dǎo)通電阻 為0.55Ω，導(dǎo)通時(shí)間 是毫秒級。</p><p>　　⑥ IGBT：型號AgilentHCPL-3150，適用于交直流負(fù)載，負(fù)載電流0.5A，輸入級觸發(fā)電流 為5（

96、max）mA,絕緣電壓 為1500，導(dǎo)通時(shí)間 是納秒級。</p><p>　　2.3 雙向可控硅的應(yīng)用</p><p>　　為正常使用雙向可控硅，需定量掌握其主要參數(shù)，對雙向可控硅進(jìn)行適當(dāng)選用并采取相應(yīng)措施以達(dá)到各參數(shù)的要求[10]。</p><p>　　1 耐壓級別的選擇[11]：通常把 (斷態(tài)重復(fù)峰值電壓)和 (反向重復(fù)峰值電壓)中較小的值標(biāo)作該器件的額定電壓。

97、選用時(shí)，額定電壓應(yīng)為正常工作峰值電壓的2～3倍，作為允許的操作過電壓裕量。</p><p>　　2 通態(tài)(峰值)電壓 的選擇：它是可控硅通以規(guī)定倍數(shù)額定電流時(shí)的瞬態(tài)峰值壓降。為減少可控硅的熱損耗，應(yīng)盡可能選擇 小的可控硅。</p><p>　　3 維持電流： 是維持可控硅保持通態(tài)所必需的最小主電流，它與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，則 越小。</p><p>　　4 電壓上升

98、率的抵制：dv/dt指的是在關(guān)斷狀態(tài)下電壓的上升斜率，這是防止誤觸發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。此值超限將可能導(dǎo)致可控硅出現(xiàn)誤導(dǎo)通的現(xiàn)象。由于可控硅的制造工藝決定了A2與G之間會存在寄生電容，如圖2-11所示。我們知道dv/dt的變化在電容的兩端會出現(xiàn)等效電流，這個(gè)電流就會成為 ，也就是出現(xiàn)了觸發(fā)電流，導(dǎo)致誤觸發(fā)。</p><p>　　切換電壓上升率 /dt。驅(qū)動高電抗性的負(fù)載時(shí)，負(fù)載電壓和電流的波形間通常發(fā)生實(shí)質(zhì)性的相位移

99、動。當(dāng)負(fù)載電流過零時(shí)雙向可控硅發(fā)生切換，由于相位差電壓并不為零。這時(shí)雙向可控硅須立即阻斷該電壓。產(chǎn)生的切換電壓上升率( /dt)若超過允許值，會迫使雙向可控硅回復(fù)導(dǎo)通狀態(tài)，因?yàn)檩d流子沒有充分的時(shí)間自結(jié)上撤出。</p><p>　　圖2-11 雙向可控硅等效示意圖</p><p>　　5 電流上升率的抑制：電流上升率的影響主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面 ：</p><p>　

100、?、?/dt(導(dǎo)通時(shí)的電流上升率)——當(dāng)雙向可控硅或閘流管在門極電流觸發(fā)下導(dǎo)通，門極臨近處立即導(dǎo)通，然后迅速擴(kuò)展至整個(gè)有效面積。這遲后的時(shí)間有一個(gè)極限，即負(fù)載電流上升率的許可值。過高的 /dt可能導(dǎo)致局部燒毀，并使 - 短路。假如過程中限制 /dt到一較低的值，雙向可控硅可能可以幸存。因此，假如雙向可控硅的 在嚴(yán)重的、異常的電源瞬間過程中有可能被超出或?qū)〞r(shí)的 /dt有可能被超出，可在負(fù)載上串聯(lián)一個(gè)幾mH的不飽和(空心)電感。<

101、/p><p>　?、?/dt(切換電流變化率)——導(dǎo)致高 /dt值的因素是:高負(fù)載電流、高電網(wǎng)頻率(假設(shè)正弦波電流)或者非正弦波負(fù)載電流,它們引起的切換電流變化率超出最大的允許值，使雙向可控硅甚至不能支持50Hz波形由零上升時(shí)不大的dv/dt，加入一幾mH的電感和負(fù)載串聯(lián)，可以限制 /dt。</p><p>　　6 門極參數(shù)的選用[12]：</p><p>　　門極觸

102、發(fā)電流——為了使可控硅可靠觸發(fā)，觸發(fā)電流Igt選擇25度時(shí)max值的a倍，a為門極觸發(fā)電流—結(jié)溫特性系數(shù)，查數(shù)據(jù)手冊可得，取特性曲線中最低工作溫度時(shí)的系數(shù)。若對器件工作環(huán)境溫度無特殊需要，通常a取大于1.5倍即可。</p><p>　　門極壓降——可以選擇Vgt25度時(shí)max值的b倍。b為門極觸發(fā)電壓—結(jié)溫特性系數(shù)，查數(shù)據(jù)手冊可得，取特性曲線中最低工作溫度時(shí)的系數(shù)。若對器件工作環(huán)境溫度無特殊需要，通常b取1~1.

103、2倍即可。</p><p>　　觸發(fā)電阻——Rg=(Vcc-Vgt)/Igt</p><p>　　觸發(fā)脈沖寬度—為了導(dǎo)通閘流管(或雙向可控硅)，除了要門極電流≥ ，還要使負(fù)載電流達(dá)到≥ (擎住電流)，并按可能遇到的最低溫度考慮。因此，可取25度下可靠觸發(fā)可控硅的脈沖寬度T的2倍以上。</p><p>　　在電子噪聲充斥的環(huán)境中，若干擾電壓超過觸發(fā)電壓 ，并有足夠的

104、門極電流，就會發(fā)生假觸發(fā)，導(dǎo)致雙向可控硅切換。第一條防線是降低臨近空間的雜波。門極接線越短越好，并確保門極驅(qū)動電路的共用返回線直接連接到T1管腳(對閘流管是陰極)。若門極接線是硬線，可采用螺旋雙線，或干脆用屏蔽線，這些必要的措施都是為了降低雜波的吸收。為增加對電子噪聲的抵抗力，可在門極和T1之間串入1kW或更小的電阻，以此降低門極的靈敏度。假如已采用高頻旁路電容，建議在該電容和門極間加入電阻，以降低通過門極的電容電流的峰值，減少雙向可控

105、硅門極區(qū)域?yàn)檫^電流燒毀的可能。</p><p>　　7 結(jié)溫Tj的控制：為了長期可靠工作，應(yīng)保證Rthj-a足夠低，維持Tj不高于80%Tjmax，其值相應(yīng)于可能的最高環(huán)境溫度。</p><p>　　2.4 復(fù)合開關(guān)的應(yīng)用</p><p>　　復(fù)合開關(guān)在TSC裝置中實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，其有共補(bǔ)開關(guān)和分補(bǔ)開關(guān)兩種，共補(bǔ)開關(guān)用于投切三相電容器，即角型接法的電容器；分補(bǔ)開關(guān)用于

106、投切單相電容器，即分別接三只單相電容器的一端（另一端需接零線）。其接線圖如圖2-12所示。</p><p>　　由于采用了復(fù)合開關(guān)，投切時(shí)的浪涌電流小，無觸點(diǎn)粘住之虞，可以較頻繁地投、切，因此，可以增加投切電容器的組數(shù)以提高補(bǔ)償精度[13]。在實(shí)際應(yīng)用中，通過控制器精確控制投切，可使功率因數(shù)保持在0.96～0.99之間。使用復(fù)合開關(guān)不僅提高了可靠性，還提高了電能質(zhì)量。</p><p>　　

107、圖2-12（a） 分補(bǔ)接線圖</p><p>　　圖2-12（b） 共補(bǔ)接線圖</p><p>　　2.5 TSC無功補(bǔ)償應(yīng)用主回路</p><p>　　TSC無功補(bǔ)償電路接線如圖2-13所示。</p><p>　　圖2-13 TSC無功補(bǔ)償電路接線圖</p><p>　　TSC無功補(bǔ)償回路由主回路、信號檢測回路、過

108、零觸發(fā)回路和控制回路組成[14]。</p><p>　　主回路主要包括：熔斷器、反并聯(lián)晶閘管閥、濾波電抗器、電容器組。根據(jù)控制器給出的信號控制晶閘管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)電容器組投切。 該電路用于補(bǔ)償300kvar無功功率，按照等容的方式進(jìn)行分組，分為5組，每組容量60kvar。額定電壓為220V，頻率50Hz。晶閘管選用型號為BTA40-700B型，工作電流為40A，VDRM為600V，VRRM為800