（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室 大連 116021）

1 引言

在我國(guó)電力事業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后于國(guó)民經(jīng)濟(jì)其他行業(yè)的情況下，電力供給不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和艦船設(shè)備的需要，經(jīng)常性出現(xiàn)供電不連續(xù)、不可靠以及供電電壓幅值不穩(wěn)定等現(xiàn)象。而這正是造成用電設(shè)備不能正常工作導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至損壞設(shè)備的原因。

艦船停靠碼頭后使用岸電對(duì)艦船進(jìn)行供電，為了保證船上的敏感設(shè)備和精密儀器等安全運(yùn)行和使用，各種電壓的凈化和調(diào)節(jié)設(shè)備得到了廣泛的研究和發(fā)展。但是，目前占主導(dǎo)地位的是機(jī)電調(diào)節(jié)式自耦變壓器和多抽頭變壓器的調(diào)壓裝置。它們不但調(diào)節(jié)速度低，而且諧波抑制能力差，難以滿足負(fù)載對(duì)電能質(zhì)量的要求［1］。

本文設(shè)計(jì)了新型的無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置，克服了現(xiàn)有機(jī)電調(diào)節(jié)式穩(wěn)壓裝置存在的缺點(diǎn)，其主電路是三相獨(dú)立的補(bǔ)償變壓器，運(yùn)用DSP、三相獨(dú)立的自耦調(diào)壓變壓器和有關(guān)元件構(gòu)成反饋控制網(wǎng)絡(luò)，用雙向可控硅作為開關(guān)器件。利用DSP作為控制器，采用雙向可控硅的過零觸發(fā)技術(shù)，通過雙向可控硅進(jìn)行補(bǔ)償檔檔位的選擇，最終輸出穩(wěn)定的電壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的［2～3］。

2 無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置電路設(shè)計(jì)

2.1 穩(wěn)壓裝置結(jié)構(gòu)原理

圖1是無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置原理結(jié)構(gòu)框圖。圖中，由三相補(bǔ)償變壓器和雙向可控硅構(gòu)成可控補(bǔ)償單元，利用雙向可控硅和三相自耦變壓器組成無觸點(diǎn)可控調(diào)節(jié)單元，由A／D采樣、DSP控制單元等構(gòu)成反饋控制電路。

圖1 穩(wěn)壓裝置原理框圖

當(dāng)輸入電壓波動(dòng)或是負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過采樣變壓器獲取反饋電壓，經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換后將信號(hào)輸入DSP 控制器，由軟件處理后輸出控制指令，并利用過零檢測(cè)技術(shù)［4］控制調(diào)節(jié)單元和補(bǔ)償單元上相應(yīng)的雙向可控硅觸發(fā)與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)自耦變壓器所需的調(diào)節(jié)電壓輸出，再由補(bǔ)償變壓器隔離降壓后輸出補(bǔ)償電壓，實(shí)現(xiàn)同相或反相補(bǔ)償，快速且有效地達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.2 穩(wěn)壓裝置的主電路

在三相對(duì)稱負(fù)載工況下，無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置的三相電路獨(dú)立工作。因此，通過三相負(fù)載對(duì)稱工況下無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置的工作狀態(tài)可分析單相無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置負(fù)載工況下的工作狀態(tài)。單相主電路如圖2所示。

圖2 穩(wěn)壓裝置單相主電路

無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置的單相主電路主要由1 臺(tái)補(bǔ)償變壓器、1臺(tái)自耦變壓器、1個(gè)死負(fù)載電阻和15個(gè)雙向可控硅構(gòu)成。

2.3 穩(wěn)壓裝置工作原理

在無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置中，自耦變壓器T2也稱調(diào)壓變壓器，它和S1～S1010個(gè)雙向可控硅構(gòu)成調(diào)節(jié)單元，是整個(gè)穩(wěn)壓裝置的核心單元。這里的自耦變壓器是一個(gè)多級(jí)輸出的變壓器，可以通過改變次級(jí)輸出的級(jí)數(shù)來滿足補(bǔ)償精度和輸入電壓范圍等參數(shù)技術(shù)要求。10個(gè)雙向可控硅S1～S10分別串聯(lián)在自耦變壓器的十級(jí)次級(jí)輸出端，根據(jù)所需補(bǔ)償電壓大小的不同，利用DSP實(shí)現(xiàn)S1～S10和S15中不同的雙向可控硅觸發(fā)控制。

補(bǔ)償變壓器是一臺(tái)隔離降壓變壓器，初級(jí)輸入電壓是自耦變壓器輸出的調(diào)節(jié)電壓。設(shè)置補(bǔ)償變壓器的變比（一般設(shè)置為固定值），通過控制雙向可控硅S11～S14的導(dǎo)通狀況來改變補(bǔ)償變壓器的同名端，實(shí)現(xiàn)同相或是反相電壓補(bǔ)償。

以同相補(bǔ)償為例，假設(shè)補(bǔ)償變壓器的變比為1，當(dāng)電網(wǎng)電壓的有效值為200V 時(shí)，采樣變壓器獲取反饋電壓，A／D轉(zhuǎn)換后輸入DSP控制器，由DSP軟件處理后輸出指令，在電壓過零時(shí)刻觸發(fā)S11、S14和S1導(dǎo)通，自耦變壓器輸出有效值為22V 的交流電壓，再由補(bǔ)償變壓器隔離降壓后對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行同相補(bǔ)償，使得穩(wěn)壓裝置的輸出電壓在220V±2%之內(nèi)。如果電網(wǎng)電壓持續(xù)降低至180V，需要自耦變壓器上的雙向可控硅由S1切換到S2，那么待S1自然關(guān)斷后，由DSP輸出控制指令讓S15在電壓過零時(shí)刻觸發(fā)導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流，待電流過零，再等下一個(gè)電壓過零時(shí)刻S15自然關(guān)斷，同時(shí)觸發(fā)S2導(dǎo)通，這樣的電壓過零觸發(fā)和電流過零關(guān)斷避免了自耦變壓器兩級(jí)輸出間的短路，同時(shí)死負(fù)載R的存在也避免了對(duì)地的短路，較好地實(shí)現(xiàn)了自耦變壓器上雙向可控硅的檔位切換，最終快速有效地達(dá)到電壓補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

3 無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置單相數(shù)學(xué)模型

3.1 單相自耦變壓器數(shù)學(xué)模型

圖3所示是單相自耦變壓器的連接圖［5］。

單相自耦變壓器負(fù)載運(yùn)行時(shí)的磁勢(shì)方程［6］為

式中，是通過線圈的勵(lì)磁電流。

圖3 單相自耦變壓器連接圖

公共線圈X2＿X3中的電流為

由式（1）可得，如果忽略勵(lì)磁電流，則電流與相位相反，因此公共線圈中的電流等于這兩個(gè)電流的代數(shù)差，即：

串聯(lián)線圈和公共線圈的磁勢(shì)大小相等，相位相反，即：

因此，串聯(lián)線圈和公共線圈可以當(dāng)作自耦變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈來研究。

串聯(lián)線圈X1＿X2的電勢(shì)方程式為

主磁通在串聯(lián)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

式中，Zm是勵(lì)磁阻抗。

漏磁場(chǎng)在串聯(lián)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

令串聯(lián)線圈的阻抗為Zσ＝rσ＋jxσ，則該線圈的電勢(shì)方程式（7）可化為

公共線圈X2＿X3的電勢(shì)方程式為

主磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為

漏磁場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)為

將式（2）、（12）、（13）代入式（11），得到公共線圈的電勢(shì)方程為

式中Z4＝r4＋jx4是公共線圈的阻抗。

將式（2）、（12）、（13）代入式（11），得到公共線圈的電勢(shì)方程為

將式（14）方程兩邊同乘以K，令，則式（14）可化為

3.2 單相補(bǔ)償變壓器數(shù)學(xué)模型

三相補(bǔ)償變壓器是由三臺(tái)獨(dú)立的變壓器組成，因此，可建立單相補(bǔ)償變壓器等效物理模型［7～8］。以A相補(bǔ)償變壓器為例，建立等效物理模型如圖4所示。

圖4 A 相補(bǔ)償變壓器等效物理模型

在圖4中，XTA1和rTA1是初級(jí)繞組的等效電抗和電阻；XTA2′和rTA2′是次級(jí)繞組折算到初級(jí)的等效電抗和電阻；XTAm和rTAm是激磁電抗和激磁電阻；分別表示初級(jí)電流、折算后的次級(jí)電流和勵(lì)磁電流是補(bǔ)償變壓器的輸入電壓，即自耦變壓器的輸出電壓；是補(bǔ)償變壓器的輸出電壓，即穩(wěn)壓裝置最終輸出的補(bǔ)償電壓。

設(shè)初級(jí)線圈匝數(shù)為NT1，次級(jí)線圈匝數(shù)為NT2，則A相補(bǔ)償變壓器的變比為

把次級(jí)電流、次級(jí)等效電阻rTA2、電抗XTA2折算到初級(jí)可得：

由圖4電路分析，可建立A相補(bǔ)償變壓器的數(shù)學(xué)模型為

在上式中：

3.3 單相無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置數(shù)學(xué)模型

基于無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置單相工作原理［9］可以得到，自耦變壓器的初級(jí)輸入電壓U1是ZA負(fù)載端電壓，次級(jí)接負(fù)載為補(bǔ)償變壓器；補(bǔ)償變壓器的初級(jí)輸入電壓是自耦變壓器的次級(jí)輸出電壓，補(bǔ)償變壓器的次級(jí)輸出電壓并網(wǎng)，補(bǔ)償變壓器的負(fù)載是無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置的負(fù)載，阻抗為ZA。

當(dāng)負(fù)載阻抗為ZA時(shí)，將ZA折算到補(bǔ)償變壓器初級(jí)得到等效負(fù)載阻抗ZA′為

補(bǔ)償變壓器的初級(jí)輸入電壓為

式中：

令自耦變壓器的負(fù)載阻抗為ZL，則：

將ZL折算到自耦變壓器初級(jí)得到等效阻抗ZL′為

根據(jù)單相自耦變壓器的等效物理模型和數(shù)學(xué)模型分析計(jì)算得到：

由式（29）、（30）、（31）、（32）可計(jì)算得到：

由式（34）得到了負(fù)載端電壓與補(bǔ)償變壓器輸出的補(bǔ)償電壓之間的關(guān)系。根據(jù)無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置的補(bǔ)償原理，設(shè)電網(wǎng)輸入電壓?jiǎn)蜗酁?，則有：

由式（34）、（35）可以計(jì)算得到電網(wǎng)輸入電壓與負(fù)載端電壓之間的關(guān)系為

式中：

由式（36）得到了無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置負(fù)載端電壓與電網(wǎng)輸入電壓之間的關(guān)系，式中的各個(gè)阻抗值均是自耦變壓器、補(bǔ)償變壓器的參數(shù)，因此，由式（36）得到無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置對(duì)稱負(fù)載時(shí)的數(shù)學(xué)模型。

4 無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置仿真分析

為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性，采用MATLAB 中的Simulink組件建立單相無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置仿真模型，并進(jìn)行仿真分析［10，12］。

圖5 反相補(bǔ)償波形圖

當(dāng)輸入電壓有效值大于220V、小于264V 時(shí)，設(shè)置輸入電壓有效值為255V，則穩(wěn)壓裝置對(duì)輸入電壓進(jìn)行反相補(bǔ)償，得到仿真波形如圖5所示。在圖5中，仿真波形由上至下依次是電壓輸入波形、補(bǔ)償電壓波形和穩(wěn)壓后電壓輸出波形。在0～0.02s時(shí)間內(nèi)，仿真計(jì)算輸入電壓有效值，仿真進(jìn)入瞬態(tài)階段，即0～0.02s為瞬態(tài)時(shí)間。輸入電壓有效值準(zhǔn)確計(jì)算后，仿真進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，即在0.02s后自耦變壓器次級(jí)輸出端和補(bǔ)償變壓器初級(jí)輸入端相應(yīng)的反并聯(lián)可控硅被觸發(fā)，自耦變壓器輸出調(diào)節(jié)電壓，經(jīng)補(bǔ)償變壓器隔離降壓后補(bǔ)償輸入電壓，得到有效值為220V±2%的輸出電壓，有效地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓功能。

設(shè)置輸入電壓有效值為180V，即輸入電壓大于176V、小于220V，運(yùn)行圖5仿真模型，則穩(wěn)壓裝置對(duì)輸入電壓進(jìn)行同相補(bǔ)償，得到仿真波形如圖6所示。

在圖6所示的仿真波形中，由上至下依次是輸入電壓波形、補(bǔ)償電壓波形和穩(wěn)壓后輸出電壓波形。由波形可得，

仿真系統(tǒng)在0.02s以后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后對(duì)輸入電壓進(jìn)行了有效的反相補(bǔ)償，達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)壓效果。

綜上所述，輸入電壓有效值在176V～264V 之間波動(dòng)的情況下，仿真研究分析了無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置的工作原理。從圖5和圖6可得，當(dāng)仿真系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，補(bǔ)償電壓波形和穩(wěn)壓輸出波形都是平滑的正弦波，并且穩(wěn)壓后電壓的有效值都在220V±2%之內(nèi)。仿真研究證明了無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置工作原理的可行性。

5 結(jié)語

本文介紹了無觸點(diǎn)岸電穩(wěn)壓裝置自動(dòng)穩(wěn)壓的實(shí)現(xiàn)方法，分析了無觸點(diǎn)岸電穩(wěn)壓裝置的工作原理，同時(shí)建立了其主要構(gòu)成部分（自耦變壓器、補(bǔ)償變壓器）和單相穩(wěn)壓裝置數(shù)學(xué)模型。仿真結(jié)果表明：負(fù)載對(duì)稱工況時(shí)，輸入電壓有效值在176V～264V 之間波動(dòng)的情況下，無觸點(diǎn)穩(wěn)壓裝置能夠正常工作并且穩(wěn)壓后電壓的有效值都在220 V±2%之內(nèi)，達(dá)到了穩(wěn)壓的目的。

設(shè)計(jì)的無觸點(diǎn)岸電穩(wěn)壓裝置在艦船上具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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