徐武林

上海潘登新電源有限公司 上海 200060

論無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器的可靠性*

徐武林

上海潘登新電源有限公司 上海 200060

無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器是大功率穩(wěn)壓器的發(fā)展方向。介紹了無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器產(chǎn)品的現(xiàn)狀，并對(duì)國(guó)內(nèi)無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器的性能進(jìn)行了比較，提出了增強(qiáng)無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器可靠性的措施。

無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器； 電力電子技術(shù)； 可靠性

目前，無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家很多，選擇產(chǎn)品主要從可靠性和用戶反饋這兩方面來(lái)進(jìn)行[1-4]。產(chǎn)品的可靠性是質(zhì)量屬性中極為重要的一部分,產(chǎn)品的可靠性越高，所需維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用就越低，從而可減少用戶的開支，并保證設(shè)備正常運(yùn)行[5]。只有具有高可靠性的產(chǎn)品，才能在市場(chǎng)上具有真正的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，要保證電源裝置可精密控制并可靠運(yùn)行，通常應(yīng)用電力電子技術(shù)，即在裝置中使用晶閘管等電力半導(dǎo)體器件。電力半導(dǎo)體器件具有效率高、控制性能好、體積小、質(zhì)量輕、使用可靠等許多優(yōu)點(diǎn),因此采用電力電子技術(shù)對(duì)電力穩(wěn)壓器產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代，是大功率穩(wěn)壓器的主要發(fā)展方向。

隨著無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器逐步被市場(chǎng)和用戶認(rèn)可，眾多穩(wěn)壓器廠家推出了結(jié)構(gòu)各不相同的無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器。由于主電路結(jié)構(gòu)的不同，穩(wěn)壓器的性能差異比較大,且集中反映在產(chǎn)品的可靠性上，因此很多廠家的無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器性能極不穩(wěn)定，使用可靠性差。

2 無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器的性能比較

不同主電路結(jié)構(gòu)的無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器，主要區(qū)別在于補(bǔ)償電壓的調(diào)節(jié)方式，這直接關(guān)系到穩(wěn)壓器的工作可靠性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)壓范圍、最大容量、波形失真等性能指標(biāo)。

目前市場(chǎng)上無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的主電路主要可分為自耦式、純補(bǔ)償式、自耦調(diào)壓補(bǔ)償式三類。

2.1 自耦式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器

自耦式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器主電路如圖1所示，通過(guò)控制雙向晶閘管的通斷來(lái)直接改變自耦變壓器的變比，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖1 自耦式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器主電路原理

由于晶閘管直接串聯(lián)在主電路中，負(fù)載電流全部從晶閘管中流過(guò) ，負(fù)載電流的瞬變、波動(dòng)極易損壞晶閘管。長(zhǎng)期通過(guò)大電流并產(chǎn)生很大熱量，也使晶閘管工作在惡劣的工況下，導(dǎo)致性能不佳、可靠性變差。此外，采用圖1結(jié)構(gòu)制造大容量穩(wěn)壓器，晶閘管容量也需選得很大，這給晶閘管余量因數(shù)的確定及散熱設(shè)計(jì)均造成很大困難，極易引起可靠性變差。

2.2 純補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器

純補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器主電路如圖2所示，通過(guò)雙向晶閘管的通斷控制補(bǔ)償變壓器組合的投入、退出或極性改變，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖2 純補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器主電路原理

晶閘管通過(guò)橋臂形式直接連在相線與中性線之間，工作電壓高(220V)，換擋時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流大，極易損壞晶閘管。同時(shí)，這種電路在晶閘管誤導(dǎo)通時(shí)容易造成相線與中性線之間短路，瞬間就可燒毀晶閘管，因此可靠性較差。

2.3 自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器

自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器主電路如圖3所示，通過(guò)控制雙向晶閘管的通斷來(lái)切換自耦變壓器的抽頭，從而改變補(bǔ)償變壓器補(bǔ)償電壓的大小和極性，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

圖3 自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器主電路原理

采用自耦變壓器抽頭分級(jí)調(diào)壓，既降低了雙向晶閘管的通斷電壓(由220V降至200V以下)，又能抑制換擋時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流(自耦變壓器自身就是一個(gè)大功率電抗器)，因而大大提高了雙向晶閘管的工作可靠性。此外，控制電路中采用了互鎖隔離技術(shù)，徹底解決了因外界干擾造成雙向晶閘管誤動(dòng)作而產(chǎn)生的環(huán)流問(wèn)題，有效避免了晶閘管器件的損壞?？刂撇糠植捎媚M集成電路，使穩(wěn)壓器對(duì)惡劣電網(wǎng)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)。

自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器相對(duì)于自耦式的優(yōu)點(diǎn)為[6-7]： 晶閘管不在負(fù)載電流的主通路上，而是接在調(diào)壓回路中，通過(guò)的電流不大，只有負(fù)載電流的幾分之一，甚至十幾分之一，所以器件的余量因數(shù)可從容選擇，工作時(shí)發(fā)熱量也不大，晶閘管可長(zhǎng)期可靠工作；與此同時(shí)，穩(wěn)壓器的容量也可設(shè)計(jì)得較大，目前已能生產(chǎn)的最大容量為2000kVA。相對(duì)于純補(bǔ)償式的優(yōu)點(diǎn)為： 晶閘管網(wǎng)絡(luò)位于補(bǔ)償變壓器的輸出側(cè)，且又經(jīng)自耦變壓器降壓，既降低了晶閘管的通斷電壓，又能抑制換擋時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流，大大提高了晶閘管的工作可靠性和抗干擾能力。

2.4 由單片機(jī)控制的無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器

目前市場(chǎng)上的無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器，很多都采用單片機(jī)來(lái)構(gòu)建控制系統(tǒng)。單片機(jī)控制優(yōu)點(diǎn)較多，技術(shù)相對(duì)先進(jìn)，但也有弱點(diǎn)，即抗干擾處理比較困難。大功率穩(wěn)壓器的工作環(huán)境，尤其是電磁環(huán)境往往惡劣，所以電路結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)應(yīng)力求簡(jiǎn)潔可靠，尤其是抗干擾能力要強(qiáng)，才能保證較高的工作可靠性。可見(jiàn)，如果為追求先進(jìn)，不分場(chǎng)合地盲目應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)，將是得不償失的。筆者認(rèn)為，如果穩(wěn)壓器的主要性能指標(biāo)沒(méi)有較大提升，需要慎重選擇單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器中。

3 自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器在增強(qiáng)可靠性方面采取的措施

為保證自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器具有高可靠性，研發(fā)公司采用了一整套科學(xué)方法，包括可靠性設(shè)計(jì)、可靠性增長(zhǎng)和可靠性管理等方面。

3.1 可靠性設(shè)計(jì)

(1) 降額設(shè)計(jì)。為降低失效率，提高產(chǎn)品可靠性，在主要元器件參數(shù)選擇時(shí)有針對(duì)性地采用了降額設(shè)計(jì)方法。如針對(duì)晶閘管模塊容量按3～5倍通態(tài)平均電流來(lái)選擇，這相當(dāng)于在通常使用的設(shè)計(jì)余量因數(shù)基礎(chǔ)上又增加了一倍，從而使影響穩(wěn)壓器可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)得到加強(qiáng)，大大提高了產(chǎn)品的可靠性。

(2) 電磁兼容設(shè)計(jì)。為防止因穩(wěn)壓器工作現(xiàn)場(chǎng)電磁環(huán)境影響而產(chǎn)生錯(cuò)誤或產(chǎn)品失效，采取了一些減小和消除干擾的措施。如采用目前世界上最先進(jìn)的美國(guó)強(qiáng)世林公司MOV矩陣技術(shù)，有效抑制了晶閘管工作期間產(chǎn)生的浪涌尖峰。此外，還加強(qiáng)了電源濾波設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

(3) 散熱設(shè)計(jì)。在散熱設(shè)計(jì)方面，經(jīng)過(guò)數(shù)年摸索改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一套合理的散熱措施和適用的散熱數(shù)據(jù)，有效地減小了晶閘管器件及機(jī)箱內(nèi)的溫升，進(jìn)而避免因過(guò)熱而引起的晶閘管器件性能劣化和失效。

3.2 可靠性增長(zhǎng)

公司十分重視穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)和制造中的缺陷，不斷提高產(chǎn)品可靠性。從1999年第一臺(tái)產(chǎn)品出廠至今，不斷跟蹤用戶的使用情況，結(jié)合售后服務(wù)的反饋信息，分析故障原因及潛在的故障隱患，及時(shí)加以改進(jìn)，并確保在修正設(shè)計(jì)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生新的故障源。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和修正設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并堅(jiān)持采用試驗(yàn)的方法檢查故障源，爭(zhēng)取在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就將故障隱患予以消除。

3.3 可靠性管理

公司嚴(yán)格按照ISO9000國(guó)際質(zhì)量認(rèn)證體系進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量管理，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)和使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障和缺陷建立一整套采集、整理、反饋、分析、處理措施，從制度上為提高產(chǎn)品的可靠性提供了有力保障。

在晶閘管、變壓器等主要器件和部件的選用上，也都進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。如針對(duì)晶閘管模塊，加強(qiáng)了對(duì)通態(tài)峰值電壓的篩選，將器件溫升控制在較合理的范圍內(nèi)；針對(duì)晶閘管門極工藝也提出了更嚴(yán)格的要求；針對(duì)主、副變壓器，采用了損耗低、溫升小、效率高的環(huán)型變壓器結(jié)構(gòu)。

通過(guò)多年努力，自耦調(diào)壓補(bǔ)償式無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器的可靠性不斷得到提升，至今，產(chǎn)品的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間已達(dá)100000h。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器已成為業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)[8-10]。傳統(tǒng)的電力穩(wěn)壓器大多是機(jī)械碳刷型的，使用碳刷和機(jī)械傳動(dòng)，必定會(huì)產(chǎn)生工作壽命短、響應(yīng)速度慢、碳刷接觸面小影響輸出電流、碳刷磨損快需要經(jīng)常維護(hù)等問(wèn)題，因此，無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器已是大多數(shù)用戶的必然選擇。隨著生產(chǎn)廠家技術(shù)、工藝的不斷改進(jìn)，無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器的工作可靠性不斷提高，以及用戶對(duì)產(chǎn)品認(rèn)識(shí)的不斷深入，無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器一定會(huì)有更好的市場(chǎng)前景。

[1] 潘微燕，翟光中.無(wú)觸點(diǎn)照明穩(wěn)壓器在核電廠照明中的應(yīng)用[J].上海電氣技術(shù)，2015，8(4)： 38-40.

[2] 苗全堂，陳煊之，陳明，等.無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式大功率交流穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)[J].電工電氣，2015(2)： 9-12,56.

[3] 呂瑩，楊波.基于PLC控制的交流大功率無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器[J].電氣應(yīng)用,2014,33(17)： 30-33.

[4] 賀建新.SGW5C型無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)式穩(wěn)壓器[J].電世界，2013(7)： 16-17.

[5] 陳健.SBW5B-400kVA穩(wěn)壓器無(wú)輸出故障原因分析和處理[J].西部廣播電視，2015(15)： 235-236.

[6] 王賢長(zhǎng).無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器： 012538760[P].2002-07-24.

[7] 李錦初.一種逐次比較無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器： 2008201520821[P].2009-06-24.

[8] 鄢浩東.無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器在DX中波發(fā)射機(jī)的應(yīng)用[J].科技傳播，2015(7)： 87-89.

[9] 周新華，陳富彬，王培河.AP1000穩(wěn)壓器制造難點(diǎn)與案例分析[J].裝備機(jī)械，2015(2)： 23-29.

[10] 孫海鵬，馬飛，曹榮，等.穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析及驗(yàn)證[J].航天制造技術(shù)，2014(5)： 63-66.

Non-contact voltage stabilizer is the direction for development of high-power voltage stabilizer. Described the status of non-contact voltage stabilizer products, compared the performance of domestic non-contact voltage stabilizer and presented the measures to strengthen the reliability of non-contact voltage stabilizer.

Non-contact Voltage Stabilizer； Power Electronics Technology； Reliability

2016年3月

徐武林(1968— )，男，本科，工程師，主要從事穩(wěn)壓器、節(jié)電器研發(fā)工作， E-mail： 263048135@qq.com

TM44

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1674-540X(2016)03-080-03

*中國(guó)實(shí)用新型專利，無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器，專利號(hào)： 012538760；一種逐次比較無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器，專利號(hào)：2008201520821。