一种励磁装置用兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路的制作方法
【专利摘要】一种励磁装置用兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路，主要由高位自取能电路、光纤收发电路、温度测量电路、脉冲调理电路组成。高位自取能电路的电能取自晶闸管两端并联阻容吸收回路，并通过设定有效取电阈值方式最大可能地减少对阻容吸收效果的影响，经稳压回路后为其它回路提供稳定可靠的工作电源。本回路通过一收一发两根光纤实现晶闸管用触发脉冲的下发、脉冲状态的反馈、晶闸管阴极散热器实时温度的上传等功能，并实现一二次回路间的完全隔离。该回路简便且安全可靠，在实现光纤化完全电气隔离的同时又确保励磁装置整流桥用晶闸管的可靠触发。本发明同时可以实时上送散热器温度值，对励磁装置安全运行具有重大意义、解决了励磁装置因为电压高绝缘处理困难不能对每个晶闸管温度进行有效监控的难题。
【专利说明】一种励磁装置用兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路
【技术领域】
[0001]本发明属于发电机、调相机、电动机等有励磁调节装置需求的领域，具体涉及一种兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路，适用于各种包括励磁整流桥在内的晶闸管驱动应用场合。
【背景技术】
[0002]现代化的电力系统由发电、变电、输电、配电和用电环节组成，其安全、经济运行和技术水准已成为一个国家经济发展水平的标志之一。提高和维持发电机运行的稳定性，是保持电力系统安全、经济运行的基本条件之一；采用调相机辅助调节是维持电力系统安全运行的重要手段；电动机作为用电环节的重要负荷，其稳定可靠运行对整个电力系统的安全性意义重大。而公认的保证发电机、调相机、电动机稳定运行的最有效手段是运用现代控制理论、高性能的励磁调节装置。
[0003]励磁调节装置一般由励磁功率单元和励磁调节控制器两个主要部分组成。励磁调节控制器根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出，而励磁功率单元向发电机、调相机、电动机转子提供励磁电流。励磁功率单元是作为励磁调节装置的最终输出执行部分，其核心为三相全控型晶闸管整流桥，由控制器生成的触发脉冲信号，有选择的触发对应晶闸管，整流输出所需的直流励磁电流，因此整流桥的高效、安全运行直接影响励磁整体的控制性能，进而影响发电机、调相机、电动机的安全稳定运行和电网的安全。
[0004]晶闸管作为励磁调节装置功率整流桥的核心元件，具有高耐压、大容量、稳定性好等优点，是国内外励磁调整装置上主流应用功率元件。晶闸管是半控型功率元件，需要在提供触发信号后才能导通，为此需要就地安装晶闸管应用的驱动回路，接收励磁调节控制器下发的触发信号，隔离放大后输出至晶闸管元件，同时反馈晶闸管状态等至控制器。驱动回路的功能和性能是整流桥安全可靠运行的关键技术，作为一次高压主电路和二次低压控制电路联系的要害部位，需同时具备接收和发送信号的准确性、快速性、稳定性、高绝缘隔离电压等特性。
[0005]现有的励磁调节装置的晶闸管驱动回路设计应用中，普遍采用高绝缘隔离电压特性的脉冲变压器作为一二次回路间的隔离器件。脉冲变压器隔离原理同普通变压器一样，是磁场隔离原理，未实现真正意义上的电气隔离，其损坏后极易引发因一次回路强电串入二次控制回路而扩大事故。另一方面因其变压器特性，对触发信号完整通过性影响大，无法调和晶闸管触发信号频率、完整性、功率等特性之间的关系。
【发明内容】
[0006]为克服现有励磁调节装置整流桥晶闸管驱动回路采用脉冲变压器产生的问题，本发明提出一种高位自取能式光纤驱动回路，同时兼具测温功能，用于解决励磁调节装置晶闸管驱动回路隔离性能差、驱动信号通过性差、功能单一等问题。由于该回路不需要控制芯片元件，回路简便且安全可靠，在实现光纤化完全电气隔离的同时又确保励磁装置整流桥用晶闸管的可靠触发，现有测温回路一般测量风道进口或出口风温与晶闸管和散热器无接触，属于间接测温，精度差；还有采用温度继电器的方案，只能在设定温度动作以节点信号送出。本发明可以实时上送散热器温度值，对励磁装置安全运行具有重大意义、解决了励磁装置因为电压高绝缘处理困难不能对每个晶闸管温度进行有效监控的难题。
[0007]本发明的具体方案如下:
[0008]一种励磁装置用兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路，该驱动回路应用于励磁调节装置整流桥臂功率晶闸管元件的驱动及温度测量；其特征在于:
[0009]所述晶闸管光纤驱动回路包括高位自取能电路、光纤收发电路、温度测量电路、脉冲调理电路；
[0010]其中，所述自取能电路的输入端串接在励磁调节装置功率单元整流桥臂晶闸管元件的阻容吸收回路中，接收流过阻容吸收回路的电能，并存储稳压后为光纤收发电路、温度测量电路、脉冲调理电路提供5V稳定工作电源；所述温度测量电路用于实时测量励磁调节装置整流桥臂功率晶闸管阴极散热器温度；
[0011]所述光纤收发电路接收控制器下发的驱动光脉冲信号，将其转换成小功率电信号发送至脉冲调理电路，所述脉冲调理电路将所接收的所述小功率电信号放大后作为触发信号输出至励磁调节装置整流桥臂功率晶闸管元件的控制端；
[0012]所述脉冲调理电路还将接收的所述整流桥晶闸管元件的反馈信号调理后输出至所述光纤收发电路，并通过光纤收发电路将反馈信号上传至控制器。
[0013]所述高位自取能电路为整个驱动回路提供工作电源，由取电和稳压两部分构成，串联于桥臂晶闸管阻容吸收回路中。取电部分通过合理取电阈值设计，最大可能减少对阻容吸收效果的影响。稳压部分通过完善的功率及元件参数匹配设计，为驱动板提供稳定的工作电源。
[0014]所述光纤收发电路由光纤接收单元、分时逻辑判断单元、光纤输出单元组成，通信速率< 2Mbps。光纤接收单元接收控制器下发的驱动脉冲信号并转换成小功率弱电信号，分时逻辑判断单元部分将脉冲反馈信号和温度数据分时输送给光纤输出单元，实现同一根光纤通过分时逻辑传送温度数据和脉冲反馈数据。同时通过光纤接口的应用实现电气一次主回路与二次控制回路的完全电气隔离，通过控制光纤长度和安装工艺，耐压水平满足各种整流桥交流输入电压等级对应的耐压试验标准。
[0015]所述温度测量电路为采集晶闸管阴极安装散热器的温度，由分压单元和压频转换单元组成。分压单元将散热器预埋的测温钼电阻值转换为对应的电压值，压频转换单元将电压和转换为对应的频率，以满足光纤数字量传输的需求。
[0016]所述脉冲调理电路由脉冲放大输出单元和脉冲反馈单元组成。脉冲放大输出单元通过功率管将光纤接收的脉冲小功率信号转变为驱动晶闸管用的大功率信号，脉冲反馈单元取驱动限流电阻两端的电压，根据其状态转换成开关信号送至发送逻辑判断回路。
[0017]本发明具有以下有益技术效果:
[0018]1、提供了一种励磁调节装置用的晶闸管驱动回路，实现了一二次回路间光纤化完全电气隔离，解决了常规脉冲变压器隔离设计中，耐压水平低，易导致事故扩大化问题；
[0019]2、解决了常规脉冲变压器隔离设计驱动信号失真度高、通过性差问题；
[0020]3、驱动回路采用纯模拟电路实现，抗干扰性高，解决驱动回路在开关功率元件引发恶劣工况中稳定可靠应用问题。
[0021]4、驱动回路兼具实现脉冲反馈，实时监测脉冲触发状态反馈，提高励磁调节装置整体控制性能；
[0022]5、实现了实时上送散热器温度值，解决现有测温回路一般测量风道进口或出口风温与晶闸管和散热器无接触，属于间接测温，精度差问题，以及采用温度继电器的方案，只能在设定温度动作以节点信号送出，无法输出散热器温度实时值。
[0023]【专利附图】
【附图说明】图1为兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路功能模块组成示意图；
[0024]图2为闻位自取能电路图；
[0025]图3为光纤收发电路图；
[0026]图4为温度测量电路图；图5为脉冲调理电路图；
[0027]图6为兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路在励磁装置中应用原理。
【具体实施方式】
[0028]下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
[0029]如附图1所示为本发明的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路功能模块组成示意图。
[0030]一种励磁装置用兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路包括高位自取能电路1、光纤收发电路2、温度测量电路3、脉冲调理电路4组成。
[0031]如附图6所示，本发明的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路应用于励磁调节装置三相全控型整流桥中。作为桥臂功率元件晶闸管用的驱动板，完成接收励磁调节控制器下发的触发信号，隔离放大后输出至晶闸管元件，同时反馈晶闸管状态等至控制器等功能。它由高位自取能电路1、光纤收发电路2、温度测量电路3、脉冲调理电路4组成，其中，高位自取能电路I串联在整流桥晶闸管阻容吸收回路中，实现从一次主回路中取得电能，并通过电压转换为其它功能电路提供稳定的工作电源以及输出驱动晶闸管信号用的能量；光纤收发电路2工作电源采用高位自取能电路I转换输出的5V电源，并通过一收一发两个光纤端口与外部控制器实现光纤通信和隔离，光纤收发电路2的接收单元接收到外部光纤输入的光信号后，转换为电信号并整形后提供给脉冲调理电路4使用，发送单元接收脉冲调理电路4和温度测量电路3分别送出的脉冲反馈信号和实时温度值信号后，通过分时逻辑处理后通过发送光纤上传给控制器；温度测量电路3实现对晶闸管用散热器实时温度的测量，预埋在散热器中的热敏电阻接入分压单元中，将温度信号转换为压频转换单元有效应用的电压信号。压频转换单元通过压频转换元件将电压信号转换为可光纤数字输出的频率信号，传送至光纤收发电路2 ;脉冲调理电路4实现脉冲触发信号的放大输出和脉冲状态反馈功能，放大输出单元接收到光纤收发电路2转换输出的脉冲电信号后，通过快速响应能力的场效应管元件放大输出至外部晶闸管门极，同时在脉冲信号放大输出时，采用光耦驱动回路对脉冲电平状态实现检测，并对电平精细匹配后发送至光纤收发电路2。
[0032]高位自取能电路I如附图2所示，由取电电路和稳压电路组成，高位自取能回路I将从外部一次高压侧取得的电能转变为内部电路所需的5V稳定工作电源，输出至其它功能电路的电源部分。所述高位取能电路串联于整流桥臂晶闸管元件的阻容吸收回路中。取电电路由功率二极管D1、晶闸管Tl、限压稳压管Z1、驱动组件((:1、町、1?2)、箝位二极管02、储能电容C2、去耦电感LI组成，功率二极管Dl与晶闸管Tl反向并联，作用是限定取电电路有效输出下限为0V，端电压为负半周时，Dl与外部阻容元件形成导通回路，使得吸收电流无障碍通过。晶闸管Tl元件通过在触发回路设计稳压管Zl元件，限定取电电路有效输入的上限值不超过稳压元件Zl限值，当阻容吸收回路两端电压正向值大于稳压管限幅时，晶闸管Tl驱动回路启动，触发导通晶闸管Tl，与外部阻容元件形成通路，使得正向吸收电流无障碍通过。箝位二极管D2作用为在晶闸管Tl和二极管Dl导通时防止储能元件能量因旁路而反送。去耦电感LI和储能电容C2在取电回路有效输入时接收储存能量，供给后续稳压电路使用。取电部分通过合理取电阈值设计，最大可能减少对阻容吸收效果的影响。稳压电路主要由三端稳压元件Ul (CW7805)、去耦平波元件L2、L3、C3、C4、R3组成，稳压部分通过完善的功率及元件参数匹配设计，将有效输入的电源调制为后续功能回路应用的5V稳定工作电源。本发明在设计高位自取能回路时，应当采取适当的优化方法，选择最优的参数组合，以便在满足主回路动态均压要求的同时，获得较小的电压建立时间。
[0033]光纤收发电路如附图3所示，主要由接收转换、分时逻辑、发送转换单元组成，完成信号接收和发送，同时实现与外部回路的光隔离。接收转换单元由接收转换口 RX1、去耦滤波电容C5、上拉电阻R4组成，接收转换口 RXl通过端口接收外部光纤输入的光信号，并将接收到控制器下发的驱动光脉冲信号转换成小功率电信号提供给脉冲调理电路。分时逻辑单元由逻辑元件Xl组成，通过接收脉冲调理电路的脉冲反馈信号和温度测量电路的温度频率信号，实现将脉冲反馈信号Pr和温度数据Tf分时输出给脉冲发送转换单元，实现同一根光纤通过分时逻辑传送温度数据和脉冲反馈数据，减少光纤接口数量。发送转换由转换元件TX1、限流电阻R5、防反二极管D3构成，接收分时逻辑单元输出的电信号后，有转换元件TXl转换为光信号,通过端口外部输出光纤输出，实现电信号转换为光信号输出。
[0034]温度测量电路如附图4所示，由分压单元和压频转换单元组成，实现将测温电阻信号转换为电压信号后再转换为可数字传输的频率信号。分压单元包括电阻RH、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6，分压单元通过端子接线将外部预埋在晶闸管阴极安装散热器上的测温电阻值输入，与分压电组配合使用后，将测温电阻值调整为压频转换回路的最佳输入范围，提供给压频转换单元电压输入端。压频转换单元由压频转换元件U2 (AD654)、外围配备电容器件C7、C8、电阻器件R15、R16组成，将输入的测温电压和转换为对应的频率，以满足光纤数字量传输的需求，并输出至光纤收发电路的分时逻辑单元。
[0035]脉冲调理电路如附图5所示，由脉冲放大输出和反馈回路组成，实现对脉冲信号的放大输出至驱动外部晶闸管所需的信号范围及脉冲放大后电平状态反馈功能。脉冲放大输出由场效应管Q1、驱动元件X2、下拉电阻R6、限流电阻R8、保护元件R7、D4组成，驱动元件X2接收到脉冲转换电路的触发脉冲小功率电信号后，通过驱动场效应管Q1，将输入信号放大输出至整流桥晶闸管所需的触发信号。限流电阻R8和保护元件R7、D4等实现对整流桥晶闸管的过流、过压、反向保护功能，最终通过端子接线输出至外部晶闸管的门极。反馈回路由电阻R9、光耦元件01、上拉电阻RlO组成，光耦的输入侧增加电阻R9后接入到整流桥晶闸管驱动回路限流电阻后端，当触发电流信号通过时，经与限流电阻R8分流后，流入光耦Ol驱动回路，导通光耦元件01，通过光耦二次侧输出进行电平匹配后，提供到光纤收发电路的分时逻辑单元，最大可能的实现对触发脉冲状态的监测，进而为外部调节控制器判断该桥臂晶闸管通断情况提供判据。
[0036]以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。
【权利要求】
1.一种励磁装置用兼具测温功能的高位自取能式晶闸管光纤驱动回路，该驱动回路应用于励磁调节装置整流桥臂功率晶闸管元件的驱动及温度测量；其特征在于: 所述晶闸管光纤驱动回路包括高位自取能电路、光纤收发电路、温度测量电路、脉冲调理电路； 其中，所述自取能电路的输入端串接在励磁调节装置功率单元整流桥臂晶闸管元件的阻容吸收回路中，接收流过阻容吸收回路的电能，并存储稳压后为光纤收发电路、温度测量电路、脉冲调理电路提供5V稳定工作电源；所述温度测量电路用于实时测量励磁调节装置整流桥臂功率晶闸管阴极散热器温度； 所述光纤收发电路接收控制器下发的驱动光脉冲信号，将其转换成小功率电信号发送至脉冲调理电路，所述脉冲调理电路将所接收的所述小功率电信号放大后作为触发信号输出至励磁调节装置整流桥臂功率晶闸管元件的控制端； 所述脉冲调理电路还将接收的所述整流桥晶闸管元件的反馈信号调理后输出至所述光纤收发电路，并通过光纤收发电路将反馈信号上传至控制器。
2.根据权利要求1所述的晶闸管光纤驱动回路，其特征在于:高位自取能电路由取电电路和稳压电路组成，所述取电电路的两输入端串接在励磁调节装置功率单元整流桥臂晶闸管元件的阻容吸收回路中，取电电路的输入端与稳压电路的输入端相连，稳压电路的输出端分别连接至光纤收发电路、温度测量电路、脉冲调理电路。
3.根据权利要求2所述的晶闸管光纤驱动回路，其特征在于: 所述取电电路由功率二极管D1、晶闸管Tl、限压稳压管Z1、驱动组件(C1、R1、R2)、箝位二极管D2、储能电容C2、去耦电感LI组成； 其中，功率二极管Dl与晶闸管Tl反向并联，功率二极管Dl的阴极连接至所述整流桥臂晶闸管元件的阻容吸收回路的一端，所述整流桥臂晶闸管元件的阻容吸收回路的另一端连接整流桥臂晶闸管元件的阳极，所述功率二极管Dl的阳极连接至所述整流桥臂晶闸管元件的阴极。 所述驱动组件包括电容Cl、电阻R1、电阻R2;所述晶闸管Tl的控制端连接电阻Rl的一端，电阻Rl的另一端与限压稳压管Zl的阳极相连；电容Cl与电阻R2并联后，一端连接限压稳压管Zl的阳极，另一端与晶闸管Tl的阴极相连；限压稳压管Zl的阴极与晶闸管Tl的阳极相连； 箝位二极管D2的阳极与功率二极管Dl的阴极相连；所述储能电容C2、去耦电感LI串联连接，其一端连接箝位二极管D2的阴极，另一端连接功率二极管Dl的阳极； 储能电容C2、去耦电感LI的两端连接至稳压电路的输入端。
4.根据权利要求1所述的晶闸管光纤驱动回路，其特征在于: 所述光纤收发电路由接收转换单元、分时逻辑单元、发送转换单元组成； 所述接收转换单元由接收转换口 RXl、去耦滤波电容C5、上拉电阻R4组成，接口转换口RXl通过发光三极管实现，其光接收侧接外部输入光纤信号，电输出侧电源直接连接至5V电源，集电极串联上拉电阻R4后连接至5V电源，发射极输出转换信号至脉冲调理电路的发送转换单元，同时在发射极和电源地直接并联去耦滤波电源C5，接收转换口 RXl接收控制器下发的驱动光脉冲信号，接收转换单元将所接收的驱动光脉冲信号转换成小功率电信号发送至脉冲调理电路中的脉冲放大输出单元； 所述分时逻辑单元通过逻辑元件将所述整流桥臂晶闸管元件的脉冲反馈信号、温度测量数据分时输出给所述发送转换单元； 所述发送转换单元由转换元件TX1、限流电阻R5、防反二极管D3构成，电阻R5串接于工作电源与转换元件TXl集电极之间，防反二极管D3并联与转换元件TXl集电极和发射极间，转换元件TXl发射极接脉冲调理电路的脉冲放大输出单元驱动芯片X2输入端，其中的转换元件为发光三极管，实现电信号转换为光信号输出。
5.根据权利要求1所述的晶闸管光纤驱动回路，其特征在于: 温度测量电路由分压单元和压频转换单元组成，其中，分压单元包括电阻RH、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电容C6，R1UR12与外部散热器用测温组件一起串联于电源之间，R13串联在分压电压与转换单元接收引脚之间，R14、C6并联在转换单元接收引脚与电源地之间。
6.根据权利要求1所述的晶闸管光纤驱动回路，其特征在于: 脉冲调理电路由脉冲放大输出单元和反馈单元组成，其中，脉冲放大输出单元由场效应管Q1、驱动元件X2、下拉电阻R6、限流电阻R8、保护元件电阻R7、二极管D4组成，场效应管源极连接至电源，漏极串联限流电阻R8后输出至外部晶闸管门极，栅极连接至驱动芯片X2的输出端。驱动芯片X2输入端接光纤转换回路的发送转换单元输出端，同时驱动芯片X2通过电阻R6连接电源地形成通路，保护元件R7、D4并联接至限流电阻R8输出端侧与电源地之间； 反馈回路由电阻R9、光耦元件01、上拉电阻RlO组成，光耦01的输入侧阳极串联电阻R9后连接至场效应管漏极与限流电阻R8之间，阴极直接接至电源地，输出侧集电极一方面通过串联电阻RlO接至5V电源，一方面接至光纤收发回路的分时逻辑单元，输出侧发射极直接接至电源地，为外部调节控制器判断该桥臂晶闸管通断情况提供判据。
【文档编号】H03K19/14GK104467813SQ201410769084
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】袁占辉, 张凌俊, 李福龙, 赵璐璐, 唐志远 申请人:北京四方继保自动化股份有限公司