專利名稱：可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉一種用于容性無功補(bǔ)償裝置中的可控硅投切開關(guān)，特別是一種可準(zhǔn)確捕 捉可控硅端電壓最小點(diǎn)時(shí)刻，安全可靠的觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)可控硅開關(guān)工作的可控硅投切電容器 高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理中存在大量的容性無功補(bǔ)償工況，以達(dá)到系統(tǒng)的電能質(zhì) 量改善。在目前正在使用的容性無功補(bǔ)償裝置中，開關(guān)分組投切電容型無功補(bǔ)償裝置具備 性價(jià)比高，節(jié)能，穩(wěn)定性好，技術(shù)成熟，系統(tǒng)控制簡單，補(bǔ)償效果好，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，實(shí)用工況 性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此得以廣泛應(yīng)用。作為電力無功補(bǔ)償?shù)碾娏﹄娙萜髟谕肚羞^程中，對(duì)投切開 關(guān)的要求十分苛刻，通常有斷路器，接觸器，復(fù)合開關(guān)，可控硅開關(guān)等。電力電容器在投切瞬 間，如果開關(guān)不能做到過零投切，將會(huì)產(chǎn)生巨大的投切涌流，對(duì)于不具備過零投切能力的斷 路器及接觸器，則需要很強(qiáng)的滅弧能力，這將明顯限制開關(guān)的投切速度，在遇到一些系統(tǒng)無 功變化加快、諧波較大的情況，該類開關(guān)將不能使用。復(fù)合開關(guān)及可控硅開關(guān)可以做到電容 器的過零投切，因此稱為無觸點(diǎn)開關(guān)，可以避免系統(tǒng)的投切涌流，由于可控硅的耐壓較低及 其串聯(lián)的可靠性較差，目前的復(fù)合開關(guān)及可控硅開關(guān)主要應(yīng)用于中低壓領(lǐng)域。對(duì)于如電弧 爐設(shè)備、電焊機(jī)設(shè)備、風(fēng)電場的低電壓穿越等，其無功變化十分迅速，每個(gè)周波的無功需求 都可能不一樣，目前的無功補(bǔ)償設(shè)備包塊TCR(無功相應(yīng)時(shí)間大于50ms)、MCR(無功相應(yīng)時(shí) 間大于80ms)基本無法解決系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，因此設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)無功的快速補(bǔ)償 裝置顯得十分需要，限于大容量可控硅的控制、驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前的可控硅開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間一 般都在幾個(gè)周波(50ms)以上，因此要完善的解決諸如電弧爐這類無功快速變化、諧波較大 設(shè)備的電能質(zhì)量問題，就需要能夠在20ms內(nèi)完成無功補(bǔ)償?shù)臒o觸點(diǎn)開關(guān)?？煽毓柰肚须娙萜鞲咚匍_關(guān)，由于電容器為純?nèi)菪云骷?，開關(guān)電流過零關(guān)斷時(shí)，電 容器端電壓為峰值，當(dāng)開關(guān)下個(gè)周期投入時(shí)，可控硅開關(guān)端電壓存在較大直流分量，在三相 系統(tǒng)中，該直流分量在三相電容器間自動(dòng)建立平衡，會(huì)導(dǎo)致開關(guān)某相的端電壓高于系統(tǒng)電 壓的峰值，從而不存在電壓過零點(diǎn)，因此可控硅無法準(zhǔn)確可靠的投入。傳統(tǒng)的可控硅觸發(fā)電路一般有兩種，一種采用具有過零檢測功能的光耦檢測電壓 過零、信號(hào)隔離直接驅(qū)動(dòng)可控硅。該方案一方面不能準(zhǔn)確的檢測可控硅端電壓的過零點(diǎn)， 存在較大的偏差，只適合慢速可控硅開關(guān)，一般要求投切間隔大于幾秒，無法應(yīng)用于快速投 切的場合，當(dāng)開關(guān)投切速度較快時(shí)，可控硅的觸發(fā)將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)速度達(dá)到一定程度 時(shí)，電容電壓存在嚴(yán)重直流分量，光耦的電壓過零檢測失效，開關(guān)無功工作，將導(dǎo)致系統(tǒng)災(zāi) 難性后果。另一種采用分離元件搭建的過零檢測電路，將檢測信號(hào)通過光耦隔離或者電磁 隔離驅(qū)動(dòng)可控硅，目前的過零檢測及隔離驅(qū)動(dòng)電路，往往采用簡單的電容、電阻、二極管判 斷電壓過零點(diǎn)，其實(shí)現(xiàn)思路與光耦檢測電壓過零點(diǎn)并無明顯提高，同樣不能工作開關(guān)快速 投切工況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種在可控硅開關(guān)的端電壓存在過零點(diǎn)時(shí)，可 安全、可靠的觸發(fā)可控硅，在可控硅開關(guān)的端電壓不存在過零點(diǎn)時(shí)，亦可準(zhǔn)確捕捉端電壓的 最小值，在其電壓最小點(diǎn)保證可控硅開關(guān)快速、可靠觸發(fā)的可控硅投切電容器高速開關(guān)的 驅(qū)動(dòng)控制裝置。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是按如下方式實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所述可控硅投切電容 器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置由可控硅、ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊、運(yùn)算放大器及窗口比較器 模塊、單片機(jī)處理器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊及驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路組成；可控硅投切電容器 高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置并聯(lián)在容性無功補(bǔ)償裝置電路中可控硅開關(guān)的兩端，在可控硅的 控制保護(hù)電路中連接有兩個(gè)采樣電阻Rs ；采樣電阻Rs的兩個(gè)引出端與ESP保護(hù)及信號(hào)限幅 模塊輸入端連接；ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊的輸出端與運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊的輸 入端連接；運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊的輸出端與單片機(jī)處理器的輸入端連接；單片機(jī) 處理器的輸出端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊的輸入端連接；驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊的輸出端 與驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路的輸入端連接；驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路輸出端與可控硅的觸發(fā)端連接。所述采樣電阻Rs串聯(lián)在可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置電路的輸入 端，獲取電壓信號(hào)。所述ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊設(shè)置在采樣電阻Rs之后，對(duì)電路起到防靜電、防雷 保護(hù)。所述運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊，其中運(yùn)算放大器進(jìn)行差分、窗口采樣，捕獲穩(wěn) 定的端電壓信號(hào)，將該信號(hào)通過窗口比較器獲取電壓的極小值點(diǎn)，將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn) 行信號(hào)處理。所述單片機(jī)處理器將窗口比較器捕獲的電壓極小值點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)移相，獲取準(zhǔn)確的 電壓極小值時(shí)刻，從而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)及控制信號(hào)。所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊將觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào)鎖存器，送給放大電路，放大后的 觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過電磁隔離輸送到驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路。所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路由電容Cl、二極管D1、二極管D3、電阻Rl以及電容C2、二 極管D2、二極管D4、電阻R2組成；二極管Dl與電容Cl串聯(lián)，二極管D3、電阻Rl與電容Cl 并聯(lián)；二極管D2與電容C2串聯(lián)，二極管D4、電阻R2與電容C2并聯(lián)；經(jīng)修整的信號(hào)雙向觸 發(fā)可控硅，可控硅安全觸發(fā)后，其端電壓從網(wǎng)電電壓變?yōu)榭煽毓鑹航惦妷?，此時(shí)單片機(jī)可以 根據(jù)采樣信號(hào)判斷可控硅是否為安全觸發(fā)，當(dāng)可控硅未能按照規(guī)定的控制信號(hào)觸發(fā)時(shí)，可 采取保護(hù)措施。本發(fā)明的積極效果本發(fā)明所述可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置可準(zhǔn) 確捕捉可控硅端電壓最小點(diǎn)時(shí)刻即過零點(diǎn)或極小值點(diǎn)，安全可靠的觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)可控硅開關(guān) 工作。過零點(diǎn)捕獲電路在開關(guān)端電壓存在過零點(diǎn)時(shí)，可控硅安全、可靠觸發(fā)，系統(tǒng)不存在電 流涌流。當(dāng)可控硅開關(guān)端電壓不存在過零點(diǎn)時(shí)，可準(zhǔn)確捕捉端電壓的最小值，在其電壓最小 點(diǎn)保證可控硅開關(guān)快速、可靠觸發(fā)，將系統(tǒng)的涌流限制到最小程度，極大的減少了可控硅開 關(guān)應(yīng)力，同時(shí)避免電容器的電壓震蕩升高，增加了系統(tǒng)的安全性，延長電容器等一次器件的 使用壽命。本發(fā)明的電壓過零檢測及隔離驅(qū)動(dòng)不僅能夠準(zhǔn)確捕獲可控硅端電壓的極
4小值，同時(shí)其隔離電路具備很高的電壓隔離強(qiáng)度，高達(dá)4000VAC(遠(yuǎn)高于光耦隔離的 500VAC-600VAC)，驅(qū)動(dòng)能力也大大提高，適合于各種電壓等級(jí)、功率等級(jí)的可控硅。本發(fā)明 能夠?qū)㈤_關(guān)的投切速度提高到周波以內(nèi)，完成20ms以內(nèi)的完全功率補(bǔ)償，明顯優(yōu)于目前的 除STATC0M以外無功補(bǔ)償裝置，同時(shí)成本大為降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于TCR、MCR型無功補(bǔ)償裝置，只 有STATC0M的幾十分之一。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1是本發(fā)明的功能電路原理圖
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明所述可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置由可控硅、 ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊、運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊、單片機(jī)處理器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放 大模塊及驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路組成；可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置并聯(lián)在容性 無功補(bǔ)償裝置電路中可控硅開關(guān)的兩端，在可控硅的控制保護(hù)電路中連接有兩個(gè)采樣電阻 Rs ；采樣電阻&的兩個(gè)引出端與ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊輸入端連接；ESP保護(hù)及信號(hào)限幅 模塊的輸出端與運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊的輸入端連接；運(yùn)算放大器及窗口比較器模 塊的輸出端與單片機(jī)處理器的輸入端連接；單片機(jī)處理器的輸出端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模 塊的輸入端連接；驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路的輸入端連接；驅(qū) 動(dòng)信號(hào)整形電路輸出端與可控硅的觸發(fā)端連接。可控硅端電壓通過采樣電阻Rs的獲取其電壓信號(hào)，經(jīng)過防靜電、防雷保護(hù)，使用運(yùn) 算放大器差分采樣，運(yùn)算放大器窗口采樣，捕獲電壓極小值點(diǎn)，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理， 將窗口比較器捕獲的電壓極小值點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)移相，獲取準(zhǔn)確的電壓極小值時(shí)刻，從而產(chǎn)生 觸發(fā)信號(hào)及控制信號(hào)；在控制信號(hào)允許時(shí)，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)放大產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)電磁 隔離輸出，經(jīng)過由C1、D1、D3、R1以及C2、D2、D4、R2組成驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路雙向觸發(fā)可控硅； 可控硅安全觸發(fā)后，其端電壓從網(wǎng)電電壓變?yōu)榭煽毓鑹航惦妷?0. 8V左右)，此時(shí)單片機(jī)可 以根據(jù)采樣信號(hào)判斷可控硅是否安全觸發(fā)，當(dāng)可控硅未能按照規(guī)定的控制信號(hào)觸發(fā)時(shí)，可 進(jìn)行保護(hù)。本發(fā)明的工作過程是本發(fā)明所述可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，將可控硅端電壓進(jìn)行電 阻分壓、防雷保護(hù)、采樣，獲得端電壓的信號(hào)波形，通過運(yùn)算放大器穩(wěn)定的端電壓信號(hào)，將該 信號(hào)通過窗口比較器獲取電壓的極小值點(diǎn)(電壓過零點(diǎn)或者極小值點(diǎn))，將該信號(hào)送入單 片機(jī)進(jìn)行信號(hào)修整，延時(shí)，獲取準(zhǔn)確的電壓極值點(diǎn)，生成可控硅觸發(fā)信號(hào)。觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào) 鎖存器，送給放大電路，經(jīng)過放大的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過電磁隔離，再經(jīng)過信號(hào)修整觸發(fā)可控硅。
權(quán)利要求
可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于由可控硅、ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊、運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊、單片機(jī)處理器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊及驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路組成；可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置并聯(lián)在容性無功補(bǔ)償裝置電路中可控硅開關(guān)的兩端，在可控硅的控制保護(hù)電路中連接有兩個(gè)采樣電阻RS；采樣電阻RS的兩個(gè)引出端與ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊輸入端連接；ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊的輸出端與運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊的輸入端連接；運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊的輸出端與單片機(jī)處理器的輸入端連接；單片機(jī)處理器的輸出端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊的輸入端連接；驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊的輸出端與驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路的輸入端連接；驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路輸出端與可控硅的觸發(fā)端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于 所述采樣電阻Rs串聯(lián)在可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置電路的輸入端，獲取 電壓信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于 所述ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊設(shè)置在采樣電阻Rs之后，對(duì)電路起到防靜電、防雷保護(hù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于 所述運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊，其中運(yùn)算放大器進(jìn)行差分、窗口采樣，捕獲穩(wěn)定的端電 壓信號(hào)，將該信號(hào)通過窗口比較器獲取電壓的極小值點(diǎn)，將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)處 理。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于 所述單片機(jī)處理器將窗口比較器捕獲的電壓極小值點(diǎn)進(jìn)行延時(shí)移相，獲取準(zhǔn)確的電壓極小 值時(shí)刻，從而產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)及控制信號(hào)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于 所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊將觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào)鎖存器，送給放大電路，放大后的觸發(fā)信號(hào)， 經(jīng)過電磁隔離輸送到驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，其特征在于 所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路由電容Cl、二極管D1、二極管D3、電阻Rl以及電容C2、二極管D2、二 極管D4、電阻R2組成；二極管Dl與電容Cl串聯(lián)，二極管D3、電阻Rl與電容Cl并聯(lián)；二極 管D2與電容C2串聯(lián)，二極管D4、電阻R2與電容C2并聯(lián)；經(jīng)修整的信號(hào)雙向觸發(fā)可控硅， 可控硅安全觸發(fā)后，其端電壓從網(wǎng)電電壓變?yōu)榭煽毓鑹航惦妷海藭r(shí)單片機(jī)可以根據(jù)采樣 信號(hào)判斷可控硅是否為安全觸發(fā)，當(dāng)可控硅未能按照規(guī)定的控制信號(hào)觸發(fā)時(shí)，可采取保護(hù) 措施。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種可控硅投切電容器高速開關(guān)的驅(qū)動(dòng)控制裝置，由可控硅、ESP保護(hù)及信號(hào)限幅模塊、運(yùn)算放大器及窗口比較器模塊、單片機(jī)處理器、驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離放大模塊及驅(qū)動(dòng)信號(hào)整形電路組成；本發(fā)明將可控硅端電壓進(jìn)行電阻分壓、防雷保護(hù)、采樣，獲得端電壓的信號(hào)波形，通過運(yùn)算放大器穩(wěn)定的端電壓信號(hào)，將該信號(hào)通過窗口比較器獲取電壓的極小值點(diǎn)，將該信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)修整，延時(shí)，獲取準(zhǔn)確的電壓極值點(diǎn)，生成可控硅觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)信號(hào)鎖存器，送給放大電路，經(jīng)過放大的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過電磁隔離，再經(jīng)過信號(hào)修整觸發(fā)可控硅。
文檔編號(hào)H02J3/18GK101958552SQ20101029451
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者李小紅, 李志釗, 李紅濤, 許昌強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京鼎英科技有限公司