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新型无功发生器中光耦合器电路参数的选择

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论文作者：查丛梅 韩秀波

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摘要：随着电力电子技术的发展，电力电子装置在通过对电网电能进行二次变换，提高用电效率的同时，也向电力系统注入了大量的谐波源，引起系统功率因数下降。因此，无功补偿和谐波抑制问题已成为近年来的研究热点。同时，新型无功发生器本身也是半导体变流装置，其输出的电压、电流的谐波总畸变率也应满足电力系统对谐波的要求。近年来的研究成果大多采用多重化、多电平技术来抑制谐波，这样势必会带来装置结构复杂，控制难度大，造价高等问题。本文提出将SPWM控制技术运用其中，达到消除谐波，特别是低次谐波的目的。为此，设计制作了一台小型试样机，并得到可喜结果。
关键词：无功发生器 光耦合器电路 无功补偿 谐波抑制

1　前言

　　随着电力电子技术的发展，电力电子装置在通过对电网电能进行二次变换，提高用电效率的同时，也向电力系统注入了大量的谐波源，引起系统功率因数下降。因此，无功补偿和谐波抑制问题已成为近年来的研究热点。同时，新型无功发生器本身也是半导体变流装置，其输出的电压、电流的谐波总畸变率也应满足电力系统对谐波的要求。近年来的研究成果大多采用多重化、多电平技术来抑制谐波，这样势必会带来装置结构复杂，控制难度大，造价高等问题。本文提出将SPWM控制技术运用其中，达到消除谐波，特别是低次谐波的目的。为此，设计制作了一台小型试样机，并得到可喜结果。

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2　新型无功发生器的拓扑结构及工作特性

2.1　拓扑结构

　　静止无功发生器(Static Var Generator，简称SVG)的电路结构分为电压型和电流型桥式电路。对于电压型电路，需串联电抗器或变压器才能并入电网；对于电流型电路，需在交流侧并联电容器以吸收换相产生的过电压。其中电压型电路运行效率较高。

2.2　工作特性

　　由于正常工作时就像电压型逆变器，只不过交流侧接的不是无源负载，而是电网。SVG可以等效的被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源,假设为U₁。对于理想的SVG,可以通过改变U₁的幅值来实现与交流系统交换无功功率。对于实际的SVG，考虑到电路的损耗，电源电压与U1之间存在相角差δ，改变这个相角差δ和U1的幅值，SVG从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。

3　系统构成

　　控制电路主要由移相电路(CD4046, CD4040)、正弦波发生电路(D/A转换DAC0832,多路开关CD4053B)、三角波发生电路等组成。主电路包括逆变电路(IGBT)、整流电路(二极管)、储能设备(C,直流电容器)和连接设备(L，电感)。

　　其中主电路和控制电路需要采取隔离措施，通常采用隔离变压器或光电耦合。由于新型无功发生器本身的特点采用光电耦合比较合适。由于PWM波是由正弦波和三角波比较得到的，而三角波的频率是通过工频正弦波经256倍频得到的。因此，PWM波的频率很高，必须采取适当措施，且需经三极管放大才能驱动光耦工作，从而驱动主电路元件IGBT。

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光电耦合器件中信号传输基于输入端发光二极管通过的电流而发光,由光信号的强弱决定光电三极管的工作状态。当输入信号高电平时,发光二极管流过的电流很小，接近于截止状态,工作于发光二极管的死区,不发光,光电三极管中无光电流,处于截止状态。当输入信号下跳变时，发光二极管导通，并产生光信号，由于光电三极管对射入光的响应有一定的延迟，因此输出端不可能立即产生下跳信号，而出现下降沿的延迟。这种延迟受发光二极管限流电阻和负载电阻的影响。当输入信号低电平时，发光二极管导通，导通电流的大小由输入电压值、二极管特性和发光二极管限流电阻决定，在电路中管子和输入信号值一定后，与限流电阻有关，电阻越小，电流越大，发光越强。光电三极管中产生的光电流也越大，进入饱和状态的可能也越大。当输入信号上跳变时，同样由于光电三极管的延迟效应，不能马上截止。产生了上升沿的延迟，三极管的饱和深度及输出负载对电荷的泄漏程度也会影响上升沿的延迟。因此输入端的限流电阻和负载电阻对光耦的工作有很大的影响，而且还要在光电三极管的基极加一个放电电阻，这个电阻对光耦的工作也有影响。如果这些参数选的不合适，会使光耦无法工作，发光二极管的工作电流达不到工作电流。

　　为了观察电阻的影响，作了以下测试，输入为12kHz,占空比为50%的方波信号。测试时，为了方便，固定R₁=82Ω，R₂=1kΩ。改变直流电压，即相当于改变电阻。这样做也是为了找出合适的驱动电流。

　　固定I₂=12mA，R₃=7.5kΩ，改变VC1的值,测试结果如表1所示。其中R₂为负载电阻，R₁为限流电阻，T_r为上升时间，T_f为下降时间。

表1　电阻R₁的影响(R₃固定在7.5kΩ)

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如果固定VC2，则表中I₂越大，R₂越小。

　　由表1的数据可以看出，随着限流电阻的增加，上升沿的延迟增加，下降沿的延迟减小。

　　由表2的数据可以看出，随着放电电阻的减小，上升沿的延迟减小，下降沿的延迟增加。表中"/"表示时间较长，无法准确测量。

　　由表3的数据可以看出，随着负载电阻的增加，上升沿的延迟增加，下降沿的延迟增加。

　　为避免在触发过程中同一桥臂上下两管直通，在电路上需加延时，而光耦器件本身如上表也有延时，这些延时不能大于IGBT在电路中的实际的导通和关断时间。基于以上考虑选R₁=82Ω，R₂=1kΩ，R₃=7.5kΩ，发光二极管的工作电流达到25mA，实验结果证明参数选择正确。

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如果固定VC1,则表中I₁越大，相当于R₁越小。

　　固定I₂=12mA，放电电阻R₃=5.1kΩ，测得结果见表2。

表2　电阻R₁的影响(当R₃固定在5.1kΩ)



　固定I₁=25mA，放电电阻R₃=7.5kΩ，测得结果见表3。

表3　电阻R₂的影响(当R₃固定在7.5kΩ)