基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路的設(shè)計方案

一、引言

在電力系統(tǒng)中，當電網(wǎng)的對地電容電流較大時，特別是在使用電纜線路時，接地點會形成較大的電弧，這對電力系統(tǒng)的安全運行構(gòu)成嚴重威脅。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。基于TSC/TCR式消弧線圈的晶閘管控制電路是一種先進的設(shè)計方案，它通過改變消弧線圈的感抗值，從而調(diào)整其電感值，以補償電網(wǎng)的容性電流。本文將詳細介紹該設(shè)計方案，包括主控芯片的型號及其在設(shè)計中的作用。

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的電容和晶閘管開關(guān)組成。通過控制晶閘管的通斷，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關(guān)構(gòu)成，通過控制晶閘管的觸發(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。

通過消弧線圈控制器測算電網(wǎng)的電容電流值，計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，可以實現(xiàn)對電網(wǎng)容性電流的精確補償，從而消除電弧。

三、晶閘管控制電路的設(shè)計

1. TSC控制電路的設(shè)計

TSC電路的核心是電容器的投切過程，電容器在投切過程中會有較大的沖擊電流，可能會損壞晶閘管。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，將其首次觸發(fā)導(dǎo)通。

（1）過零檢測電路

過零檢測電路能夠在輸入信號過零點時輸出過零脈沖。正弦信號經(jīng)過不可控整流橋后，在B點產(chǎn)生只有上半周、周期為π的正弦波，經(jīng)過運放與一接近于零的電壓進行比較，在C點產(chǎn)生過零時刻的脈沖。

（2）晶閘管過零觸發(fā)電路

晶閘管過零觸發(fā)電路將電壓過零檢測電路生成的過零脈沖作為觸發(fā)信號的基準。當控制器需要投入某一組或幾組晶閘管時，會由采集卡發(fā)出對應(yīng)的高電平信號，此高電平信號和C點信號作“與”，在D點產(chǎn)生過零投切信號。由NE55時基電路產(chǎn)生頻率5kHz的脈沖，與過零投切信號作“與”，形成脈沖序列。該序列經(jīng)過三極管的功率放大作用后，通過脈沖變壓器PM輸出雙向反并聯(lián)晶閘管組的驅(qū)動信號。

2. TCR控制電路的設(shè)計

TCR電路的核心是對晶閘管觸發(fā)角的控制。本文采用德國西門子公司的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)先存儲連續(xù)調(diào)節(jié)時電感量（存在微小級差）所對應(yīng)的觸發(fā)角，由采集卡給出相對應(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)過三極管和脈沖變壓器的放大隔離作用，實現(xiàn)對晶閘管的觸發(fā)控制。

（2）硬件電路設(shè)計

在硬件電路的設(shè)計中選用了思泰基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. 主控芯片的型號及其作用

（1）TCA785芯片

TCA785是西門子公司生產(chǎn)的一種高性能的晶閘管觸發(fā)芯片，它可以通過模擬電壓的大小來控制晶閘管的觸發(fā)角。在本設(shè)計方案中，TCA785芯片被用作TCR電路的觸發(fā)電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)角來改變等效電抗，實現(xiàn)對電網(wǎng)容性電流的連續(xù)補償。

TCA785芯片具有高精度、高穩(wěn)定性和高可靠性的特點，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時基電路

NE55是一種常用的時基電路，它可以產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號。在本設(shè)計方案中，NE55時基電路被用來產(chǎn)生頻率5kHz的脈沖信號，該信號與過零投切信號作“與”，形成脈沖序列，用于驅(qū)動TSC電路中的晶閘管。

NE55時基電路具有工作穩(wěn)定、頻率準確的特點，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，它可以對電網(wǎng)的電容電流進行實時測量和采集。在本設(shè)計方案中，PM511P數(shù)據(jù)采集卡被用來采集電網(wǎng)的電容電流值，并將其傳輸給控制器進行計算和處理。

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，可以確保電網(wǎng)電容電流的準確測量。此外，它還具有良好的通信接口，可以與控制器進行高速數(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，它具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源。在本設(shè)計方案中，sx-340控制器主板被用來作為消弧線圈控制器的主控芯片，負責接收數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)碾娋W(wǎng)電容電流值，進行計算和處理，并輸出控制信號給TSC和TCR電路。

sx-340控制器主板具有高性能、高可靠性和高擴展性的特點，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交互界面和編程環(huán)境，方便用戶進行參數(shù)設(shè)置和程序編寫。

四、軟件設(shè)計

在硬件電路的基礎(chǔ)上，對控制器的軟件系統(tǒng)進行了設(shè)計?？刂破鞯牟僮飨到y(tǒng)為DOS 6.22，編譯環(huán)境為Turbo C 2.0。用C語言編寫了控制器人機界面、參數(shù)設(shè)置、時間設(shè)置、自動跟蹤補償、故障記錄等程序。

在自動跟蹤補償程序中，用三點法循環(huán)檢測電網(wǎng)電容電流；利用中性點瞬時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。這樣可以實現(xiàn)對電網(wǎng)容性電流的實時補償和精確控制。

五、實驗驗證

在10kV配電網(wǎng)靜態(tài)模擬系統(tǒng)上對消弧線圈樣機進行了實驗驗證。實驗結(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的設(shè)計方案，它通過改變消弧線圈的感抗值，從而調(diào)整其電感值，以補償電網(wǎng)的容性電流。本文詳細介紹了該設(shè)計方案的工作原理、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及實驗驗證結(jié)果。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計方案具有優(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。

在未來的研究中，可以進一步優(yōu)化該設(shè)計方案的控制算法和硬件電路，提高其響應(yīng)速度和補償精度。同時，也可以將該設(shè)計方案應(yīng)用于更廣泛的電力系統(tǒng)領(lǐng)域，如配電網(wǎng)、風電場等，以提高其整體的可靠性和安全性。