【導(dǎo)讀】天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書

　　

【正文】 ) ( )24TT TQ U I U I t t d t u t i t d t?? ? ? ?? ? ? ? ? ??? () 式中 : ? 為角速度， T 為電網(wǎng)周期， t為時間。 具體的測量步驟為 :先 通過采樣和 A/D 轉(zhuǎn)換將電網(wǎng)的模擬電壓和電流信號采集到微處理器，然后進行離散化處理。這里假設(shè)對每個周期的電壓和電流采樣 N次，則式 ()離散化得 : 2 112 ( ) ( )NkkjI k U kN???? ? ??? () 式中 : ku 是第 k個電壓采樣值 /4kni? 是第 k十 N/4 個電流采樣值，這樣只要對電流和電壓進行較高頻率的采樣，就能根據(jù)式 ( )求 得無功功率。移相法的精度易受非同步采用影 響，主要通過圖 。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 18 圖 Diagram frequency synchronous digital lock device 積分法 采用積分法測無功和移相法測無功相似，它的理論基礎(chǔ)是 sin( ) cos( )d? ? ?? ? 。 積分法也能實現(xiàn)余弦和正弦之間的轉(zhuǎn)換。下面簡要介紹一下其測量原理，令 : 0( ) 2 sin( )u t U t?? （ ） 0( ) 2 sin ( )i t I t???? （ ） 00( ) ( ( ) )TtM i t u d dt?????? （ ） 如果把式 ()的 M為中間變量，把式 ()和式 ()分別代入式 ( )化簡后可以得到 : 00 s in ( )TTM U I Q????? () 22MQMTT????? 求出 M 后就可以求出 Q值。下面對式 ()做離散化處理，設(shè)在一個周期內(nèi)對電壓和電流都采樣 N 次，用 I(k)表示第 k 次電流采樣值， U(k)表示第 k 次電壓的采樣值， U(k)表 示 u(t)的積分量。則有 : 2 002 ( ) ( )TtwQ M i t u d d tTT? ????? ? ? ?????? 2 12 ( ) ( )Nk I k U kN?? ?? ? ?? () 2 112 ( ) ( )NkkjI k U kN???? ? ??? 基于 FFT 的無功功率測量法 基于 FFT 的無功功率測量法，關(guān)鍵是要測量出電壓電流的基波和各次諧波的幅值和相位，F(xiàn)FT 正好能很好地實現(xiàn)這部分功能。分別對電壓和電流做 FFT 運算， 得到基波和各次諧波電壓和電流的幅值和相位，然后利用這些數(shù)據(jù)計算無功功率。 該方法完全按照 Budeanu 無功理論計算，在原理上不存在誤差，但是計算過程中需要大天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 19 量的寄存器存儲中間變量，計算量大，計算時間長，檢測結(jié)果的實時性比較差。在采樣過程中，當(dāng)信號頻率和采樣頻率不一致時，會發(fā)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使計算出的信號頻率、幅值不準確。尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量精度的要求。這些主要可以通過以下方法來解決 : (1)修正采樣頻率法； (2)利用加窗插值算法對 FFT 算法進行修正； (3)采用準同步 DFT算法； (4)利用數(shù)字式鎖相器 (PLL)使信號頻率和采樣頻率同步。 該算法需要專門的測量用 DSP 來計算實現(xiàn)，成本高是它的天然缺陷。不過由于本 TSC 控制器使用 DSP 作為控制器件，并且保護部分對于電壓電流諧波含量的計量亦有要求，因此利用計算得到的電壓和電流諧波頻譜，同時計算無功功率，就達到了一舉兩得的效果。 晶閘管的觸發(fā)原則 一般晶閘管投入時刻總的原則是， TSC 投入電容的時刻，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器預(yù)先充電電壓相等的時刻。因為根據(jù)電容器的特性，當(dāng)加在電容上的電壓有階躍變化時，將產(chǎn)生沖擊 電流，很可能破壞晶閘管或給電源帶來高頻振蕩等不利影響。 假如在導(dǎo)通前電容器充電電壓剛好等于電源電壓峰值，則在電源峰值點投入電容時，由于在這一點電源電壓的變化率 (時間導(dǎo)數(shù) )為零，因此，電流 ci 即為零，隨后電源電壓 (也即電容電壓 )的變化率才會按照正弦規(guī)律上升，電流 ci 即按正弦規(guī)律上升。這樣，整個投入過程不但不會產(chǎn)生沖擊電流，而且電流也沒有階躍變化。這就是所謂的理想投入時刻。圖 以簡單的電路原理圖和投切時的波形 對此作了說明。 圖 illustration power pensation 選取合適的觸發(fā)時刻總的原則是， TSC 投入電容時，也就是晶閘管開通的時刻，必須是電源電壓與電容器殘壓的幅值和相位相同。但是無論投入前電容器充電電壓 (也稱殘壓 )是多少，其往往都是不易測量的，所以必須通過其他一些方法來解決電容器殘壓測量的難題。 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 20 晶閘管電壓過零觸發(fā)電路如圖 所示。當(dāng)電源電壓與電容器的殘壓相等時，晶閘管上電壓為零，光電耦合器就會輸出一個負脈沖，如果此時 投入指令存在，此脈沖就會經(jīng)過一系列環(huán)節(jié)，產(chǎn)生脈沖串去觸發(fā)晶閘管，保證晶閘管的平穩(wěn)導(dǎo)通。當(dāng) TSC投入指令撤銷時，晶閘管在電流過零時斷開，直到微控制器下次發(fā)出投入指令， TSC 才會在零電壓時重新投入。 圖 Zerovoltage thyristor trigger circuit 一般來講，無論電容器殘壓多高，它總是小于等于電源電壓幅值，則在一個周期內(nèi)，晶閘管總有處于零壓或反壓的時刻。利用這一點，在晶閘管承受反壓時，觸發(fā)脈沖序列開始，這樣當(dāng)晶閘管由 反向轉(zhuǎn)為正向偏置時就自動進入平穩(wěn)導(dǎo)通狀態(tài)。 在兩種觸發(fā)電路中，晶閘管電壓過零觸發(fā)的使用范圍最為廣泛，無論電容殘壓出于何種狀態(tài)，其都適用。反壓觸發(fā)的成功率和電容器殘壓密切相關(guān)，只適用于電容器殘壓小于電源峰值的情況。 晶閘管投切電容器理論 晶閘管器件及其串聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用研究 進行晶閘管靜態(tài)特性、動態(tài)特性和應(yīng)用中的相關(guān)特性的分析和研究，特別是晶閘管在關(guān)斷過程中的恢復(fù)特性的研究。此項研究將為大功率晶閘管的工程化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。晶閘管的動態(tài)特性主要有開通特性、通態(tài)電流臨界上升率、反向恢復(fù)特性、關(guān)斷 特性、斷態(tài)電壓臨界上升率等五個方面，其中開通和關(guān)斷特性是其最重要的動態(tài)特性指標。 開通時間 gtt 是延遲時間 dt 和上升時間 rt 之 和， gtt 是將門極觸發(fā)脈沖加到未開通的晶閘管上，到陽極電流達到其額定電流值的 90%所需的時間，開通時間會隨工作電壓、陽極電流、極電流和結(jié)溫而變化。開通損耗取決于開通期間 負載電流的上升時間。 2. 通態(tài)電流臨界上升率 : 晶閘管開通期間，其導(dǎo)電面積是由門極向四周逐漸展開的，過快的開通會使電流集中于天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 21 門極區(qū)，導(dǎo)致器件局部過熱損壞。因此，在設(shè)計時考慮到晶閘管的電流上升率 di/dt 應(yīng)低于器件允許的通態(tài)電流臨界上升率。強觸發(fā)可以提高器件承受 di/dt 的能力。 圖 rate of rise 3. 反向恢復(fù)特性 對流過正向電流導(dǎo)通的晶閘管施加反向電壓使其強迫關(guān)斷，從施加反向電壓到其重獲反向阻斷能力是需要一定時間的。反向恢復(fù)電流和電壓的 大小、對時間的變化率以及反向恢復(fù)時間取決于反向恢復(fù)特性。圖中示出了反向反向恢復(fù)電流最大值 RMI 、反向恢復(fù)時間 rrt ， 反向恢復(fù)復(fù)電流 rt 對時間的積分值稱為反向恢復(fù)電荷 rrQ 。 對慢速器件， rrQ 的計算式為： =trr RM rrQ ?（ I ） /2 () 對快速器件， rrQ 的計算式為： ( / ) / 3rr rr r tQ t di d? () 反向恢復(fù)電流 (電荷 )的存在影響器件在高頻時的應(yīng)用并產(chǎn)生換相過電壓。各器件反向恢復(fù)電流 (電荷 )的分散性，使器件串聯(lián)應(yīng)用時產(chǎn)生反向電壓的分配不均。在設(shè)計時，應(yīng)采取過電壓抑制和動態(tài)均壓措施，如并聯(lián)電阻電容等。 4. 關(guān)斷特性 當(dāng)外加反向電壓于正向?qū)顟B(tài)的晶閘管時 ，陽極電流逐步衰減到零，并反向流動達到最大值 RMI ，然后 RMI 衰減到零，晶閘管經(jīng)過 rrt 時間后恢復(fù)其反向阻斷能力。由于載流子復(fù)合過程較慢，晶閘管要再經(jīng)過正向阻斷恢復(fù)時間 grt 之后才能安全的承受正向阻斷電壓。晶閘管的關(guān)斷時間為 q rr grt t t??，普通晶閘管的關(guān)斷時間約為幾百微妙。關(guān)斷時 間取決于結(jié)溫、陽極電流、陽極電流上升率 /itdd，反向電壓 UR、陽極電壓 UA、和陽極電壓上升率 /uudd。在設(shè)計時要充分考慮這些因素。 5. 斷態(tài)電壓臨界上升率 : 當(dāng)在阻斷的晶閘管陽極一陰極間施加的電壓具有正向的上升率，則由于晶閘管結(jié)電容 C的存在，會產(chǎn)生位移電流 /i Cdu dt? 而引起晶閘管的誤觸發(fā)導(dǎo)通。因此，在設(shè)計時采用吸收電路天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 22 的措施，使加于晶閘管上的斷態(tài)電壓臨界上升率，應(yīng)該小于器件 允許的斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt 值。 圖 Gate characteristics 上圖 為門極正向伏安特性圖，分為可靠觸發(fā)區(qū)、不可靠觸發(fā)區(qū)和不觸發(fā)區(qū)等三個區(qū)域，利用門極特性曲線設(shè)計晶閘管觸發(fā)器。門極特性中的最大和最小兩條曲線反映該器件在整個工作范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的最大阻抗和最小阻抗，門極阻抗隨門極電流上升率的增大而增大。設(shè)計觸發(fā)器時，使其兩個穩(wěn)定輸出狀態(tài)落入不可靠觸發(fā)區(qū)和可靠觸發(fā)區(qū)內(nèi)，觸發(fā)器輸出負載線與特性曲線的交點 (A, B, C, D, E, J, K, I點 )確定了在晶閘管開通延遲時間內(nèi)流入門極所需的最小電流 (E, J 點 )和在運行中觸發(fā)器可能輸出的最大電流 (I, K,點 )。 晶閘管器串并聯(lián)技術(shù)研究 開關(guān)電路中關(guān)鍵技術(shù)是對晶閘管 /二極管反并聯(lián)單元進行細心的設(shè)計，針對單晶閘管開關(guān)控制方式，晶閘管 /二極管反并聯(lián)單元鏈必須承受兩倍的峰值線電壓，本項目中采用 10KV 三角形連接，每組晶閘管 /二極管反并聯(lián)單元鏈承受的最大電壓為 。 1. 串聯(lián)技術(shù)的研究 （ 1） 串聯(lián)晶閘管的選取 由于晶閘管 /二極管反并聯(lián)對特性有一定的分散性，所以在元件串聯(lián)前 ，必須對每個元件有關(guān)特性進行測試，串聯(lián)后往往出現(xiàn)元件上電壓不均壓，特別是串聯(lián)運行的關(guān)鍵參數(shù)。 （ 2） 靜態(tài)均壓 由晶閘管和二極管的伏安特性不一致，串聯(lián)之后出現(xiàn)的穩(wěn)態(tài)電壓不均衡屬于靜態(tài)不均壓通常均壓系數(shù)衡量各串聯(lián)元件電壓分配不均勻程度，均壓系數(shù)為 : 100%Thu ThMUK nU??? () 式中， n一串聯(lián)晶閘管數(shù) 天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2020屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書 23 UthM 一串聯(lián)元件 :分擔(dān)最大峰值電壓 的元件所承受的正 (反 )向峰值電壓。 為達到靜態(tài)均壓，首先應(yīng)選用伏安特性比較一致的元件，另一方面需要用均壓電阻均壓，每個均壓電阻的阻值應(yīng)比任何一個串聯(lián)元件阻斷時的正 (反 )向電阻都小得多。這樣，每個串聯(lián)元件分擔(dān)電壓主要取決于均壓電阻分壓，均壓電阻為 : 0 1( 1)( )RRMM RRMUR KI?? () 式中， RRMU 、 RRMI 為所用元件的斷態(tài)反向重復(fù)峰值電壓和電流。 （ 3）動態(tài)均壓 由于采用晶閘管 /二極管反并聯(lián)對作開關(guān)開斷電容器，因此在阻斷過程中，只需考慮二極管反向恢復(fù)電荷差異所形成的斷態(tài)均壓情況。當(dāng)單向串聯(lián)二極管關(guān)斷，而反向串聯(lián)晶閘管停止觸發(fā)時，二極管積蓄載流子形成的恢復(fù)電流是相同的，但積蓄載流子數(shù)量少的二極管先恢復(fù)反向阻斷，因而它就承受全部的反向電壓，待串聯(lián)的其它二極管都恢復(fù)反向阻斷后，總的反向電壓才過渡到靜態(tài)均壓。靜態(tài)均壓電阻不能解決關(guān)斷過程中出現(xiàn)的動態(tài)不均壓問題。為達到動態(tài)均壓，首 先應(yīng)選用積蓄載流子數(shù)量比較一致的元件，另一方面，還需 RC 并聯(lián)支路作動態(tài)均壓。實現(xiàn)預(yù)期動態(tài)均壓系數(shù) ku 所必須的電容 C值為 : ( 1)1( 1)RRMuQnCE K??? () 另外，晶閘管開通過程中同樣存在動態(tài)均壓問題，由于