基于TSC/TCR式消弧线圈的晶闸管控制电路的设计方案

一、引言

在电力系统中，当电网的对地电容电流较大时，特别是在使用电缆线路时，接地点会形成较大的电弧，这对电力系统的安全运行构成严重威胁。消弧线圈的应用可以有效地熄灭这些电弧，从而提高供电的可靠性和安全性。基于TSC/TCR式消弧线圈的晶闸管控制电路是一种先进的设计方案，它通过改变消弧线圈的感抗值，从而调整其电感值，以补偿电网的容性电流。本文将详细介绍该设计方案，包括主控芯片的型号及其在设计中的作用。

二、TSC/TCR式消弧线圈的工作原理

TSC（Thyristor Switched Capacitor）即晶闸管投切电容，由三组容量比为1:2:4的电容和晶闸管开关组成。通过控制晶闸管的通断，可以使得二次侧投入的电容值按照一定规律变化，这种调节是分级的、不连续的。TCR（Thyristor Controlled Reactor）即晶闸管控制电抗器，由电抗器和晶闸管开关构成，通过控制晶闸管的触发角，可以改变等效电抗，其电流在一定范围内连续变化。

通过消弧线圈控制器测算电网的电容电流值，计算需要投入的电容值与电感量，电容由TSC控制电路投入，电抗由TCR触发电路投入。这样，可以实现对电网容性电流的精确补偿，从而消除电弧。

三、晶闸管控制电路的设计

1. TSC控制电路的设计

TSC电路的核心是电容器的投切过程，电容器在投切过程中会有较大的冲击电流，可能会损坏晶闸管。因此，需要在输入的交流电压与电容上的残留电压相等，即晶闸管两端的电压为零时，将其首次触发导通。

（1）过零检测电路

过零检测电路能够在输入信号过零点时输出过零脉冲。正弦信号经过不可控整流桥后，在B点产生只有上半周、周期为π的正弦波，经过运放与一接近于零的电压进行比较，在C点产生过零时刻的脉冲。

（2）晶闸管过零触发电路

晶闸管过零触发电路将电压过零检测电路生成的过零脉冲作为触发信号的基准。当控制器需要投入某一组或几组晶闸管时，会由采集卡发出对应的高电平信号，此高电平信号和C点信号作“与”，在D点产生过零投切信号。由NE55时基电路产生频率5kHz的脉冲，与过零投切信号作“与”，形成脉冲序列。该序列经过三极管的功率放大作用后，通过脉冲变压器PM输出双向反并联晶闸管组的驱动信号。

2. TCR控制电路的设计

TCR电路的核心是对晶闸管触发角的控制。本文采用德国西门子公司的TCA785芯片作为触发电路，该芯片由模拟电压的大小控制晶闸管的触发角。

（1）触发角的控制

在控制器中预先存储连续调节时电感量（存在微小级差）所对应的触发角，由采集卡给出相对应触发角度的模拟电压值。芯片输出的触发脉冲到脉冲变压器，经过三极管和脉冲变压器的放大隔离作用，实现对晶闸管的触发控制。

（2）硬件电路设计

在硬件电路的设计中选用了思泰基sx-340作为控制器的主板、中泰PM511P作为数据采集卡。设计了TCR触发电路，其中包括TCA785芯片及其外围电路。

3. 主控芯片的型号及其作用

（1）TCA785芯片

TCA785是西门子公司生产的一种高性能的晶闸管触发芯片，它可以通过模拟电压的大小来控制晶闸管的触发角。在本设计方案中，TCA785芯片被用作TCR电路的触发电路，通过调节触发角来改变等效电抗，实现对电网容性电流的连续补偿。

TCA785芯片具有高精度、高稳定性和高可靠性的特点，可以确保TCR电路的精确控制。此外，它还具有良好的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境中稳定工作。

（2）NE55时基电路

NE55是一种常用的时基电路，它可以产生稳定的频率信号。在本设计方案中，NE55时基电路被用来产生频率5kHz的脉冲信号，该信号与过零投切信号作“与”，形成脉冲序列，用于驱动TSC电路中的晶闸管。

NE55时基电路具有工作稳定、频率准确的特点，可以确保TSC电路的精确投切。此外，它还具有较高的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境中稳定工作。

（3）数据采集卡（PM511P）

PM511P是一种高性能的数据采集卡，它可以对电网的电容电流进行实时测量和采集。在本设计方案中，PM511P数据采集卡被用来采集电网的电容电流值，并将其传输给控制器进行计算和处理。

PM511P数据采集卡具有高精度、高采样率和高可靠性的特点，可以确保电网电容电流的准确测量。此外，它还具有良好的通信接口，可以与控制器进行高速数据传输。

（4）控制器主板（sx-340）

sx-340是一种高性能的控制器主板，它具有强大的数据处理能力和丰富的接口资源。在本设计方案中，sx-340控制器主板被用来作为消弧线圈控制器的主控芯片，负责接收数据采集卡传输的电网电容电流值，进行计算和处理，并输出控制信号给TSC和TCR电路。

sx-340控制器主板具有高性能、高可靠性和高扩展性的特点，可以满足消弧线圈控制器的复杂控制需求。此外，它还具有良好的人机交互界面和编程环境，方便用户进行参数设置和程序编写。

四、软件设计

在硬件电路的基础上，对控制器的软件系统进行了设计。控制器的操作系统为DOS 6.22，编译环境为Turbo C 2.0。用C语言编写了控制器人机界面、参数设置、时间设置、自动跟踪补偿、故障记录等程序。

在自动跟踪补偿程序中，用三点法循环检测电网电容电流；利用中性点瞬时值电压迅速判断接地故障；采用查表法确定所需投入的电容组别及晶闸管触发角。这样可以实现对电网容性电流的实时补偿和精确控制。

五、实验验证

在10kV配电网静态模拟系统上对消弧线圈样机进行了实验验证。实验结果表明，该消弧线圈及其控制器具有优良的性能，可以有效地熄灭电网中的电弧，提高供电的可靠性和安全性。

六、结论

基于TSC/TCR式消弧线圈的晶闸管控制电路是一种先进的设计方案，它通过改变消弧线圈的感抗值，从而调整其电感值，以补偿电网的容性电流。本文详细介绍了该设计方案的工作原理、硬件设计、软件设计以及实验验证结果。实验结果表明，该设计方案具有优良的性能和可靠性，可以有效地提高电力系统的安全性和稳定性。

在未来的研究中，可以进一步优化该设计方案的控制算法和硬件电路，提高其响应速度和补偿精度。同时，也可以将该设计方案应用于更广泛的电力系统领域，如配电网、风电场等，以提高其整体的可靠性和安全性。