基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路的設(shè)計(jì)方案

一、引言

在電力系統(tǒng)中，當(dāng)電網(wǎng)的對(duì)地電容電流較大時(shí)，特別是在使用電纜線路時(shí)，接地點(diǎn)會(huì)形成較大的電弧，這對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。消弧線圈的應(yīng)用可以有效地熄滅這些電弧，從而提高供電的可靠性和安全性?；赥SC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，它通過(guò)改變消弧線圈的感抗值，從而調(diào)整其電感值，以補(bǔ)償電網(wǎng)的容性電流。本文將詳細(xì)介紹該設(shè)計(jì)方案，包括主控芯片的型號(hào)及其在設(shè)計(jì)中的作用。

二、TSC/TCR式消弧線圈的工作原理

TSC（Thyristor Switched Capacitor）即晶閘管投切電容，由三組容量比為1:2:4的電容和晶閘管開(kāi)關(guān)組成。通過(guò)控制晶閘管的通斷，可以使得二次側(cè)投入的電容值按照一定規(guī)律變化，這種調(diào)節(jié)是分級(jí)的、不連續(xù)的。TCR（Thyristor Controlled Reactor）即晶閘管控制電抗器，由電抗器和晶閘管開(kāi)關(guān)構(gòu)成，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角，可以改變等效電抗，其電流在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化。

通過(guò)消弧線圈控制器測(cè)算電網(wǎng)的電容電流值，計(jì)算需要投入的電容值與電感量，電容由TSC控制電路投入，電抗由TCR觸發(fā)電路投入。這樣，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)容性電流的精確補(bǔ)償，從而消除電弧。

三、晶閘管控制電路的設(shè)計(jì)

1. TSC控制電路的設(shè)計(jì)

TSC電路的核心是電容器的投切過(guò)程，電容器在投切過(guò)程中會(huì)有較大的沖擊電流，可能會(huì)損壞晶閘管。因此，需要在輸入的交流電壓與電容上的殘留電壓相等，即晶閘管兩端的電壓為零時(shí)，將其首次觸發(fā)導(dǎo)通。

（1）過(guò)零檢測(cè)電路

過(guò)零檢測(cè)電路能夠在輸入信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)輸出過(guò)零脈沖。正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)不可控整流橋后，在B點(diǎn)產(chǎn)生只有上半周、周期為π的正弦波，經(jīng)過(guò)運(yùn)放與一接近于零的電壓進(jìn)行比較，在C點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)零時(shí)刻的脈沖。

（2）晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路

晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路將電壓過(guò)零檢測(cè)電路生成的過(guò)零脈沖作為觸發(fā)信號(hào)的基準(zhǔn)。當(dāng)控制器需要投入某一組或幾組晶閘管時(shí)，會(huì)由采集卡發(fā)出對(duì)應(yīng)的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)和C點(diǎn)信號(hào)作“與”，在D點(diǎn)產(chǎn)生過(guò)零投切信號(hào)。由NE55時(shí)基電路產(chǎn)生頻率5kHz的脈沖，與過(guò)零投切信號(hào)作“與”，形成脈沖序列。該序列經(jīng)過(guò)三極管的功率放大作用后，通過(guò)脈沖變壓器PM輸出雙向反并聯(lián)晶閘管組的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2. TCR控制電路的設(shè)計(jì)

TCR電路的核心是對(duì)晶閘管觸發(fā)角的控制。本文采用德國(guó)西門(mén)子公司的TCA785芯片作為觸發(fā)電路，該芯片由模擬電壓的大小控制晶閘管的觸發(fā)角。

（1）觸發(fā)角的控制

在控制器中預(yù)先存儲(chǔ)連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)電感量（存在微小級(jí)差）所對(duì)應(yīng)的觸發(fā)角，由采集卡給出相對(duì)應(yīng)觸發(fā)角度的模擬電壓值。芯片輸出的觸發(fā)脈沖到脈沖變壓器，經(jīng)過(guò)三極管和脈沖變壓器的放大隔離作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的觸發(fā)控制。

（2）硬件電路設(shè)計(jì)

在硬件電路的設(shè)計(jì)中選用了思泰基sx-340作為控制器的主板、中泰PM511P作為數(shù)據(jù)采集卡。設(shè)計(jì)了TCR觸發(fā)電路，其中包括TCA785芯片及其外圍電路。

3. 主控芯片的型號(hào)及其作用

（1）TCA785芯片

TCA785是西門(mén)子公司生產(chǎn)的一種高性能的晶閘管觸發(fā)芯片，它可以通過(guò)模擬電壓的大小來(lái)控制晶閘管的觸發(fā)角。在本設(shè)計(jì)方案中，TCA785芯片被用作TCR電路的觸發(fā)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角來(lái)改變等效電抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)容性電流的連續(xù)補(bǔ)償。

TCA785芯片具有高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的特點(diǎn)，可以確保TCR電路的精確控制。此外，它還具有良好的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作。

（2）NE55時(shí)基電路

NE55是一種常用的時(shí)基電路，它可以產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號(hào)。在本設(shè)計(jì)方案中，NE55時(shí)基電路被用來(lái)產(chǎn)生頻率5kHz的脈沖信號(hào)，該信號(hào)與過(guò)零投切信號(hào)作“與”，形成脈沖序列，用于驅(qū)動(dòng)TSC電路中的晶閘管。

NE55時(shí)基電路具有工作穩(wěn)定、頻率準(zhǔn)確的特點(diǎn)，可以確保TSC電路的精確投切。此外，它還具有較高的抗干擾能力，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作。

（3）數(shù)據(jù)采集卡（PM511P）

PM511P是一種高性能的數(shù)據(jù)采集卡，它可以對(duì)電網(wǎng)的電容電流進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和采集。在本設(shè)計(jì)方案中，PM511P數(shù)據(jù)采集卡被用來(lái)采集電網(wǎng)的電容電流值，并將其傳輸給控制器進(jìn)行計(jì)算和處理。

PM511P數(shù)據(jù)采集卡具有高精度、高采樣率和高可靠性的特點(diǎn)，可以確保電網(wǎng)電容電流的準(zhǔn)確測(cè)量。此外，它還具有良好的通信接口，可以與控制器進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

（4）控制器主板（sx-340）

sx-340是一種高性能的控制器主板，它具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源。在本設(shè)計(jì)方案中，sx-340控制器主板被用來(lái)作為消弧線圈控制器的主控芯片，負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)碾娋W(wǎng)電容電流值，進(jìn)行計(jì)算和處理，并輸出控制信號(hào)給TSC和TCR電路。

sx-340控制器主板具有高性能、高可靠性和高擴(kuò)展性的特點(diǎn)，可以滿足消弧線圈控制器的復(fù)雜控制需求。此外，它還具有良好的人機(jī)交互界面和編程環(huán)境，方便用戶進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和程序編寫(xiě)。

四、軟件設(shè)計(jì)

在硬件電路的基礎(chǔ)上，對(duì)控制器的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)?？刂破鞯牟僮飨到y(tǒng)為DOS 6.22，編譯環(huán)境為T(mén)urbo C 2.0。用C語(yǔ)言編寫(xiě)了控制器人機(jī)界面、參數(shù)設(shè)置、時(shí)間設(shè)置、自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償、故障記錄等程序。

在自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償程序中，用三點(diǎn)法循環(huán)檢測(cè)電網(wǎng)電容電流；利用中性點(diǎn)瞬時(shí)值電壓迅速判斷接地故障；采用查表法確定所需投入的電容組別及晶閘管觸發(fā)角。這樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)容性電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償和精確控制。

五、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在10kV配電網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)上對(duì)消弧線圈樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該消弧線圈及其控制器具有優(yōu)良的性能，可以有效地熄滅電網(wǎng)中的電弧，提高供電的可靠性和安全性。

六、結(jié)論

基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路是一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，它通過(guò)改變消弧線圈的感抗值，從而調(diào)整其電感值，以補(bǔ)償電網(wǎng)的容性電流。本文詳細(xì)介紹了該設(shè)計(jì)方案的工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案具有優(yōu)良的性能和可靠性，可以有效地提高電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。

在未來(lái)的研究中，可以進(jìn)一步優(yōu)化該設(shè)計(jì)方案的控制算法和硬件電路，提高其響應(yīng)速度和補(bǔ)償精度。同時(shí)，也可以將該設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于更廣泛的電力系統(tǒng)領(lǐng)域，如配電網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)等，以提高其整體的可靠性和安全性。