专利名称：可控硅开关用的门信号发生装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于静态乏补偿器(以下称为SVC)中可控硅开关用的门信号发生装置。
图1示出用于控制流经电抗器的电流的SVC结构，它采用多个可控硅开关，每个开关具有多个反并联连接的可控硅元件作为开关元件。参见图1，标号1为电源变压器;2A和2B是电抗器;3U和3X是可控硅开关;4U和4X是可控硅开关用的U相、X相正向电压探测器;CT是探测可控硅开关电流用的变流器;11是U相和X相电流探测器;而FVU和FVX是正向电压信号。
图2示出一种一般的门信号发生装置。参见图2，标号5U和5X为普通门电路，每条电路具有一个与门。该电路根据来自一个SVC控制器(未示出)的相控信号PHSU和PHSX及来自可控硅开关的正向电压信号FVU和FVX'的逻辑“与”信号产生门信号GPU和GPX。图3是周期表，示出上述电路来的信号、可控硅开关接端上的电压波形V和流经可控硅开关的电流I。
在图2所示的一般的门信号发生装置中，当可控硅开关因为从SVC来的一个误脉冲、一个噪声脉冲或类似信号而在靠近跨接在可控硅开关接端上的电压的零交叉点附近而导通(以下称为α＝0°导通)时，下列问题就产生了。
参见图3，当由于该脉冲而在α＝0°和时间t1处发生导通时，因为可控硅开关与电抗器串联，含有瞬时直流成分的电流就流过。包括电抗器和变压器在内的电源系统的电阻分量比它们的电抗分量要小得多。因而，在电流流过后，当反向电压加到可控硅开关上时，时间间隔△tR是短的。当反向电压时间间隔△tR短的时候，由于各个可控硅元件的断开特性不同，一些可控硅开关元件断开，而另外的则未断开。如果将多个可控硅元件串联起来以获得一个高压额定值的可控硅开关，在反向电压时间间隔之后仅断开的可控硅元件立即加上一个正向电压。因而，如果在时间tB时加一个高于耐压的电压于开关上，则断开的可控硅元件击穿，这样很可能损坏整个可控硅开关。
本发明的一个目的在于提供一个门信号发生装置，它能消除上述缺点，并能在任何条件下合适地导通一个可控硅开关。
为了达到上述目的，该门信号发生装置包括用于鉴别每个通电周期后U相和X相可控硅开关的断开时间间隔是大于还是小于预定时间间隔(约数百毫微秒)的U相和X相置位电路;用于探测U相和X相电路都未提供输出的复位电路;根据U相或X相置位电路的输出而置位、根据复位电路的输出而复位的触发器;用于计算触发器的输出和U相及X相正向电压信号的逻辑与积、并与触发器置位后在开始施加正向电压时输出信号的与门;以及用于计算与门的输出和普通门电路的输出的逻辑或和的或门，其中，门信号根据或门的输出而加到可控硅开关上。
如图4所示，当U相导通发生在α＝0°附近和时间t1时，U相置位电路(6U、7U、8)测得U相断开时间间隔(TN)是短的，并将触发器(10)置位(时间t20)。当在时间t2再次加上U相正向电压时，用于导通U相可控硅的门信号(F70U)按触发器输出而产生，这样就保护了可控硅开关。
在时间t2之后，U相和X相电路在开始施加正向电压时(FVU和FVX的上升沿)产生门信号(F70U、F70X)，并直等到可控硅开关电流中的瞬时直流成分衰减为止。
当可控硅开关电流的瞬时直流成分被衰减后，U相的断开时间间隔(TN)(等于X相的接通时间间隔)就增加。因而，U相置位电路不给予输出(FFS)。当置位电路输出(FFS)例如在电源系统频率的一个周期内未给出时，可控硅开关可安全地断开，也就是，在时间t30时，触发器(10)根据复位电路输出(FFR)而复位。在时间t30后，可控硅开关只有在普通门电路输出时导通，可控硅开关的导通相位由一个SVC控制器重新控制。
图1示出一种静态乏补偿器的主要部分的方框图，该静态乏补偿器带有与本发明的门信号发生装置一起使用的可控硅开关;
图2示出了不应用本发明的一种普通门信号发生装置的一部分的方框图;
图3是用于解释图2所示门信号发生装置的问题的周期表;
图4是用于解释作为本发明实施例的门信号发生装置(电压探测器型)的工作过程的周期表;
图5是显示作为本发明的第一实施例的门信号发生装置(电压探测器型)的电路图;
图6是显示作为本发明第二实施例的门信号发生装置(电流探测器型)的电路图;
图7是显示作为本发明第三实施例的门信号发生装置(电压探测器型)的电路图;
图8是显示作为本发明第四实施例的门信号发生装置(电流探测器型)的电路图;
图9是用于解释作为本发明另一实施例的门信号发生装置(电流探测器型)的工作过程周期表;
图10示出图1所示的正向电压探测器(4U、4X)和门电路(5U、5X)及图5所示的单稳态多谐振荡器(6U、6X)的详细结构的电路图;
图11示出图1所示的电流探测器(11)的详细结构的电路图;
图12A到12C解释图11所示的电流探测器(11)的工作过程的波形图。
参照图5，描述本发明于下。
参见图5，标号6U和6X为单稳态多谐振荡器(单脉冲电路);7U和7X为与门;8为或门;9是一种断开延迟器(或单稳态多谐振荡器);10是触发器。
本发明的置位电路包括单稳态多谐振荡器6U和6X、与门7U和7X和或门8。复位电路包括断开延迟器9(或可再触发的多谐振荡器)。
如图4所示，一个可控硅开关的U相的断开时间间隔TN是由X相正向电压信号FVX的上升沿到U相正向电压信号FVU的下降沿所规定的时间间隔。单稳态多谐振荡器6U和6X的脉冲宽度设定为，例如可控硅开关的零电压断开时间的长度(二极管断开时间为毫秒级)或更长些。因而，当U相正向电压信号FVU在脉冲宽度时间内(约为1毫秒)上升，从X相正向电压信号FVX和单稳态多谐振荡器6U的输出FMU的下降沿开始，作为与门7U的输出的U相置位信号FFU置于“1”，将作为或门8输出的置位信号FF置于“1”。X相置位信号也与此一样置位。
断开延迟器9的延迟时间是这样设定的，即只有当该断开延迟器的输入例如在电源系统频率的一个周期内保持为“0”时，其输出为“1”。因而，当置位信号FF在一个周期内保持为“0”时，也就是可控硅开关安全地断开时，触发器10复位。
在触发器10置位，输出信号FF置于“1”时，正向电压信号FVX和FVU上升。更具体地说，在正向电压施加的起点上(图4中t3和t4)，GPU和GPX通过与门70U和70X和或门80U和80X置于“1”，与“1”相应的信号通过光纤或类似物作为光门信号加到图1所示的可控硅开关3U和3X上，这样导通可控硅开关。
在触发器复位，输出信号FF置于“0”时，可控硅开关仅由普通门电路5U和5X产生的信号GP5U和GP5X来导通。因而，可控硅开关的导通相位可重新控制。图5的信号周期示于图4。根据前面所描述的本发明，可以提供出一种用以保护可控硅开关，并可返回到相位控制的门信号发生装置。
图6是显示本发明另一实施例的结构的电路图。在这实例中，断开时间间隔TN根据示于图1的电流探测器11和转换器12的输出的U相及X相电流信号CCU和CCX而探测出来。除了断开时间间隔TN不是通过电压而是通过电流测定出来之外，图6的结构与图5的一样。图6中信号的周期与图9中一样。
图7是显示本发明另一个实施例的结构的电路图。在这实例中，使用单稳态多谐振荡器60取代了复位电路和触发器。
单稳态多谐振荡器60的输出FF的脉冲宽度(通常为毫秒级)可根据由包括电抗器和电源变压器在内的电源系统的电阻及电抗分量所测定的瞬态现象衰减的时间常数而测定。
除了在由普通门电路5U和5X进行的相位控制复位时的测量方法(电路结构)之外，图7的结构与图5的一样。
除了断开时间间隔TN是根据图7所示的电源信号CCU和CCX而测定的之外，图8的结构与图3中的一样。
图5到图8所示的实施例的门信号发生装置可接到图1中的静态补偿器。正向电压探测器4U和4X的输出信号FVU和FVX输送给图5到图8中所示的门信号发生装置，该发生器产生的门信号则送到图1所示的可控硅3U和3X的门(即控制极)。
图10示出图1所示的正向电压探测器4U和4X的门电路5U和5X及图5所示的单稳态多谐振荡器6U和6X的详细结构。正向电压探测器4U和4X中每个都分别包括反向电压保护二极管D、与二极管D反并联的发光二极管(LED)和与发光二极管串联的限流电阻R。
正向电压探测器4U中LED的负极连到正向电压探测器4X中LED的负极。正向电压探测器4U中LED的正极连到电抗器2A一侧，而正向电压探测器4X中LED的正极连到电抗器2B一侧。这种电路的连接可使正向电压探测器4U中的LED在电抗器2A一侧为正的电压V的半个周期中发光，而正向电压探测器4X中的LED在电抗器2A一侧为负的电压V的半个周期中发光。
根据正向电压探测器4U中LED发光而产生的光信号FVU，通过光纤加到光电转换器100U上，并转换成电信号FVU。同样，根据正向电压探测器4X中LED发光而产生的光信号FVX通过光纤加到光电转换器100X上，并转换成电信号FVX。
注意，使用上述的光纤进行信号传输的说明载于欧州专利出版物第0225618号A2中。
信号FVU与U相控制信号PHSU一起输入与门5U，与门5U的输出GP5U送到或门80U。信号FVX与X相控制信号PHSX一起输入与门5X，与门5X的输出GP5X送到或门80X。
信号FVU通过单稳态脉冲电路转换成脉冲FMX1，同时通过转换器转换成脉冲FMX2。脉冲FMX1和FMX2的逻辑与信号由一个与门转换成信号FMX。同样，信号FVX通过单稳态脉冲电路转换成脉冲FMU1，同时也通过转换器转换成脉冲FMU2。脉冲FMU1和FMU2的逻辑与信号由与门转换成信号FMU。
图11示出图1所示的电流探测器11的详细结构。图12A到图12C是用于解释图11所示的电流探测器11的工作过程的波形图。
由变流器CT测出的可控硅开关的电流I输入到比较器11U和11X。比较参考电平VREF1和VREF2分别输入比较器11U和11X。如图12A到12C所示，当电流I为正电平时，也就是与比较参考电平VREF1相同或更高时，比较器11U产生电流信号CCU。当电流I为负电平时，也就是与比较参考电平VREF2相同或更低时，比较器11X产生电流信号CCX。电流信号CCU和CCX加到具有与图10中相同电路结构的单稳态多谐振荡器6U和6X(图6或图8)。
根据前述的本发明，当可控硅的断开时间间隔短的时候，门信号在开始施加正向电压时以正向及反向两个方向输出到可控硅开关，可控硅开关得以保护。当断开时间间隔足够长的时候，可再次有效地控制可控硅开关的导通相位。
注意，本发明的门信号发生装置可用于控制任何不能自动断开的开关元件。
作为应用本发明的门信号发生装置的可控硅开关，如果把反并联可控硅的串联电路和一个电抗器视为一个单元，那么，三个这样的单元可以构成三相△(或Y)连接。(这种结构已公开，见日本专利公开出版物第60-204230号)。
权利要求
1.一种门信号发生装置，它用于触发包括一个或多个相互串联并响应相控信号(GPU、GPX)的反并联开关元件对(3U、3X)的开关元件开关，其特征在于，它包括连接到开关元件对(3U、3X)、探测限定为从开关元件对(3U、3X)通电结束到开始施加正向电压之间的间隔的断开时间间隔(TN)、并当所测得的断开时间间隔(TN)不大于第一预定时间间隙(可控硅元件的零电压断开时间)时输出第一信号(FFS)的第一装置(4、6、7、8)；耦合到所述断开时间间隔探测装置(4、6、7、8)、在第一信号(FFS)输出之后在第二预定时间间隔(t20-t30)上输出第二信号(FF)的第二装置(9-10；60)；耦合到所述第一装置(4、6、7、8)和所述第二装置(9-10；60)、当第二信号(FF)输出并且正向电压信号(FVU、FVX)在正向电压施加在开关元件对(3U、3X)上的开始点产生时输出辅助门脉冲(F70U、F70X)的第三装置(70U、70X)；耦合到所述第三装置(70U、70X)、将辅助门脉冲(F70U、F70X)介入相控信号(GPU、GPX)以导通开关元件开关的第四装置(80V、80X)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，开关元件包括不能自动断开的可控硅元件，并且，第一预定时间间隔设定为不小于可控硅元件的零电压断开时间。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二预定时间间隔(t20-t30)设定为不小于电源系统频率的一个周期。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，第二预定时间间隔(t20-t30)设定为不小于流经开关元件开关的电流中的直流分量衰减至足够小所需的时间间隔。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，它还包括与开关元件对(3U、3X)串联的电抗器(2A、2B)。
6.如权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第一装置(4、6、7、8)包括在正向电压加到开关元件对中一个元件(3U)上时输出一个第一正向电压信号(FVU)的第一正向电压探测装置(4U);在正向电压加到开关元件对中另一元件(3X)上时输出一个第二正向电压信号(FVX)的第二正向电压探测装置(4X);用于将第二正向电压信号(FVX)延迟一个相当于第一预定时间间隔的一个时间间隔并输出具有预定脉冲宽度的第一延迟信号(FMU)的第一延迟装置(6U);用于将第一正向电压信号(FVU)延迟相当于第一预定时间间隔的一个时间间隔并输出具有预定脉冲宽度的第二延迟信号(FMX)的第二延迟装置(6X);用于计算出第一正向电压信号(FVU)和第一延迟信号(FMU)的“与”积并输出第一与信号(FFU)的第一逻辑装置(7U);用于计算出第二正向电压信号(FVX)和第二延迟信号(FMX)的“与”积并输出第二与信号(FFX)的第二逻辑装置(7X);用于计算出第一与信号(FFU)和第二与信号(FFX)的“或”和并输出第一信号(FFS)的第三逻辑装置。
7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述的第一装置(4、6、7、8)包括在电流(I)流经开关元件对中一个元件(3U)时输出第一电流信号(CCU)的第一电流探测装置(CT、11U;图11);在电流(I)流经开关元件对中另一元件(3X)时输出第二电流信号(CCX)的第二电流探测装置(CT、11X;图11);用于将第一电流信号(CCU)延迟相当于第一预定时间间隔的时间间隔并输出具有预定脉冲宽度的第一延迟信号(FMU)的第一延迟装置(6U);用于将第二电流信号(CCX)延迟相当于预定时间间隔的时间间隔并输出一个具有预定脉冲宽度的第二延迟信号(FMX)的第二延迟装置(6X);用于计算出第一正向电压信号(FVU)和第一延迟信号(FMU)的“与”积并输出第一与信号(FFU)的第二逻辑装置;用于计算出第二正向电压信号(FVX)和第二延迟信号(FMX)的“与”积并输出第二与信号(FFX)的第二逻辑装置(7X);用于计算出第一与信号(FFU)和第二与信号(FFX)的“或”和并输出第一信号(FFS)的第三逻辑装置。
8.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述第二装置(9-10;60)包括根据第一信号(FFS)而置位以在相应于第二预定时间间隔(t20-t30)的预定时间间隔内第一信号(FFS)重复产生时保持置位状态、并且当在不小于相应于第二预定时间间隔(t20-t30)的预定时间间隔的时间间隔内第一信号(FFS)未出现时复位以输出第二信号(FF)的触发装置(9-10)。
9.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述的第二装置(9-1;60)包括响应第一信号(FFS)而触发并在相应于第二预定时间间隔(t20-t30)的预定时间间隔期间内输出第二信号(FF)的多谐振荡装置器(60)。
全文摘要
一种门信号发生装置，它包括用于鉴别每次通电后U相和X相可控硅(3U、3X)的断开时间间隔是否大于或小于预定的时间间隔的U相和X相置位电路、用于探测U相和X相电路的复位电路不提供输出、根据U相或X相置位电路的输出而置位并根据复位电路输出而复位的触发器、用于计算出触发器的输出与U相和X相正向电压信号的“与”积并在触发器置位后开始施加正向电压时输出信号的与门、用于计算与门输出和普通门电路的输出的“或”和的或门。门信号根据或门的输出加到可控硅上。
文档编号H03K17/0812GK1030675SQ88104338
公开日1989年1月25日 申请日期1988年7月9日 优先权日1987年7月10日
发明者吉野辉雄 申请人:株式会社东芝