图7-14 晶闸管相控动态补偿电路原理框图

1.晶闸管相控动态补偿电路原理

晶闸管相控动态补偿电路原理如图7-14所示。图中每组反并联晶闸管分别与电容器串联，再接成星形，构成动态补偿主电路。在补偿容性无功功率时，为抑制冲击电流，需在主电路中串入电抗器。晶闸管相控动态补偿电路还包括：同步相位检测电路；单片机检测控制电路；同步脉冲触发电路。下面分别介绍各部分电路的工作原理。

（1）电压电流检测电路 图7-14中的检测电路包括两部分：一部分是同步相位检测电路，如图7-15所示；另一部分是电压电流检测电路。相位检测电路分别检测U、V、W三个线电压的过零点，图中只画出U相。V相和W相与之相同。将检测到的三个相电压过零点信号，经过光耦隔离送给单片机。电压电流检测电路可采用电压互感器和电流互感器检测，将采集的电压和电流信号经过处理送至单片机。

图7-15 同步相位检测电路原理图

（2）单片机检测控制电路 为了计算相位方便，可采用具有交流信号A/D采集功能的单片机。如果是单向A/D采集的单片机，还需有电压与电流相位比较电路。单片机根据电压、电流以及检测到相电压和相电流之间的相位差，计算出电动机在Δt时间内每一相的无功功率ΔQ。即

ΔQ=U_pI_psinφ （7-29）

式中 U_p和I_p——电动机的相电压和相电流。

（3）同步脉冲触发电路 同步脉冲触发电路如图7-16所示。图中的同步脉冲触发电路主要包括两部分：一部分是单片机发出的同步脉冲信号电路；另一部分是脉冲变压器。脉冲信号经放大送给脉冲变压器输入端。脉冲信号经脉冲变压器增强，形成强触发信号输出到晶闸管的门极，从而可靠地触发晶闸管。晶闸管同步脉冲触发电路共有六路，每两路驱动一个晶闸管。

图7-16 晶闸管同步脉冲触发电路

2.晶闸管相控无功调节原理

晶闸管相控无功调节方法：设每个采集时间为Δt，即步长。在第一个Δt检测每一相的无功功率为ΔQ，在下一个Δt时间内补偿无功功率为ΔQ。晶闸管相控无功调节是调节电容上电压，电容电压是与触发角相关的斩波电压，即非正弦电压。此时电容无功功率为

Q_c=ωCU²_α （7-30）

式中，U_α是触发角为α时对应的非正弦电压有效值。(www.daowen.com)

取Δt时间内补偿无功功率ΔQ等于斩波电压在电容上产生的无功功率ΔQ_c。即

ΔQ=ωCU²_α （7-31）

由电压有效值定义，可得

将式（7-32）代入式（7-31）可以推得触发角α与无功功率的关系为

式中 ω——电源角频率；

C——电容值；

U_m——斩波电压的幅值。

这是一个关于触发角α的超越方程，直接求得α角的表达式很困难。可以先求出各触发角所对应的无功功率，比如分别取α=0°，2.5°，5°，LL，180°，其对应的无功功率为ΔQ=ΔQ₁，ΔQ₂，LL，ΔQ₇₂，然后根据测得无功功率在对应的两点之间进行插值求得触发角α。

无功调节步长Δt，可以根据负载变化的周期来确定。负载变化快，步长Δt可以小一些；负载变化较慢，步长Δt可以大一些。

由图7-14可以看出，这种动态补偿是滞后跟踪控制，是开环控制。在一个步长的时间内（比如Δt=100ms）检测电动机的无功功率是多少，在下一个Δt开始时就补偿多少，同时检测Δt内无功功率。就是根据瞬时无功功率计算出触发角α，再计算出六路触发脉冲的相位，由单片机定时发出六路触发脉冲波，触发六个晶闸管。

在控制过程中有三个问题值得注意。

（1）开始时，导通角β由小逐渐增大。在上电前电容器无电荷，晶闸管在第一个触发脉冲的瞬间，尽管有限流电抗器，也会产生较大的冲击电流。因此上电后导通角β由小逐渐增大，可以有效地抑制冲击电流。

（2）合理确定小周期从上面的分析可以看出，步长越小，跟踪补偿效果会越好。但晶闸管相位控制周期不能小于20ms。在一两个工频周期内，瞬时无功功率的稳定性也比较差。因此通常选择几个或十几个工频周期作为一个调节步长比较合适。

（3）如果在一个大周期内，负载波动很大，大周期时间又比较短，比如十几秒或几十秒，这样无功功率变化将很复杂（参见后面的图7-22）。这种情况下可以先进行无功功率曲线的辨识，再根据曲线适当地调整步长和补偿量。