磁飽和式岸電電壓自動穩定裝置設計與研究

孫宏光 吳旭升 楊青

（1. 海軍工程大學電氣與信息工程學院， 武漢 430033; 2. 海軍駐711所軍事代表室, 上海 210001）

1 引言

艦船停靠碼頭后使用岸電對艦船進行供電，為了提高船上大功率空調機、照明設備等的使用壽命，為了保證船上的敏感設備和精密儀器等的安全運行和使用，各種岸電電壓的凈化和調節設備得到了廣泛的研究和發展。但是目前占主導地位的是機電調節式自耦變壓器和多抽頭變壓器的調壓裝置。它們不但調節速度低，而且諧波抑制能力差，難以滿足負載對電能質量的要求。

本文設計了新型的基于磁飽和式變壓器的岸電電壓自動穩定裝置。它借助于磁飽和原理，利用直流激磁作用改變鐵心磁狀態工作點及磁特性，達到電壓穩定輸出的效果[1,2]。

2 磁飽和式岸電電壓自動穩定裝置的基本工作原理

磁飽和式岸電電壓自動穩定裝置是一個利用反饋控制電路來控制磁飽和式變壓器上兩個晶閘管，通過調節晶閘管導通角的大小實現連續調節變壓器輸出電壓的穩壓裝置[3]。

該自動穩壓裝置由磁飽和式變壓器、隔離降壓裝置、全波整流、PI反饋控制系統等組成，其結構電路如圖1所示[4]。

圖1 磁飽和式電壓自動穩定裝置結構電路

由圖1可以看出，磁飽和式變壓器輸出電壓經隔離變壓器降壓和全波整流橋整流得到所需的采樣信號，通過PI控制系統對采樣信號進行調節后輸出控制信號控制磁飽和式變壓器上晶閘管的導通角，從而實現對電源電壓的補償，得到穩定的輸出電壓。

該穩壓裝置中磁飽和式變壓器采用如圖2所示的對稱結構，保證變壓器主磁路在任何情況下都是完全對稱的，這樣可以消除因磁路不對稱造成的損耗增加、噪聲增加等不良影響。該變壓器的4個鐵心中，中間2個鐵心繞有6個繞組，其中鐵心上半部分匝數同為N的4個繞組構成變壓器的原邊，下半部分匝數同為N的2個繞組構成副邊。原邊的 4個繞組均設有抽頭，抽頭比為a=N2/N，每個鐵心的抽頭間接有極性相反的晶閘管，中間交叉連接的兩端接有一個續流二極管。設原邊的兩抽頭間的繞組為控制繞組，剩下的兩個為工作繞組，則續流二極管及兩個晶閘管的控制構成了整個變壓器的控制部分。通過PI反饋調節晶閘管導通角來控制變壓器的直流磁通的大小，從而實現對控制變壓器原邊容量的調節。

圖2 磁飽和式變壓器結構圖

3 磁飽和式岸電電壓自動穩定裝置的數學模型

根據晶閘管VT1、VT2和續流二極管VD的可能導通情況，可得出變壓器的三種工作狀態：

（1） VT1導通，VD截止，VT2截止；（2） VT1 截止，VD導通，VT2截止；（3） VT1 截止，VD截止，VT2導通；

變壓器按照狀態（1）～（3）的次序輪流切換工作，在工作過程中，變壓器原邊繞組中將產生如圖3所示方向不變的環流，該環流產生的直流磁通引起變壓器中間兩個鐵心在一個周期內增磁—去磁交替變化，從而實現變壓器原邊容量的調節[5,6]。

圖3 變壓器原邊工作電流示意圖

根據晶閘管和續流二極管的開關情況，可以得到變壓器在不同工況下的回路方程[7]：

當VT1導通，VD截止，VT2截止時，回路方程為：

當VT1 截止，VD導通，VT2截止時，回路方程為：

當VT1 截止，VD截止，VT2導通時，回路方程為：

其中：S為鐵心截面積；R為每匝線圈的電阻；B1為鐵心1的磁感應強度；B2為鐵心2的磁感應強度。

式（1）、式（2）、式（3）就是磁飽和式岸電電壓自動穩定裝置的數學模型[8]。

4 仿真研究

為了驗證上述理論分析的正確性，采用Matlab中的Simulink對磁飽和式岸電電壓自動穩定裝置的兩種工況進行了仿真分析。

（1）岸電電壓的驟降或驟升[9,10]

在岸電電壓的驟降或驟升均為35%，即電壓幅值驟降到143 V或驟升到297 V，持續時間為0.06 s～0.12 s的情況下，穩壓裝置的補償電壓波形如圖3和圖4所示；經穩壓裝置穩壓后的變壓器輸出電壓波形如圖5所示。

圖3 岸電電壓驟降時穩壓裝置補償電壓波形圖

圖4 岸電電壓驟升時穩壓裝置補償電壓波形圖

圖5 岸電電壓驟降或驟升經穩壓裝置穩壓后的電壓輸出波形圖

由圖5可以看出，岸電電壓的驟降或驟升經穩壓裝置補償后，變壓器輸出的電壓波形與理論分析得到的結果是一致的。

（2）岸電中含有諧波[11]

當岸電中含有諧波時，可以把諧波當作偏離參考電壓進行補償。仿真中，在0.06 s～0.12 s，加入了基波的35%即幅值為77 V，相位為45度的諧波。得到穩壓裝置補償電壓的仿真圖如圖 6所示；經穩壓裝置穩壓后的變壓器輸出電壓波形如圖7所示。

圖6 岸電含有諧波時穩壓裝置補償電壓波形圖

圖7 岸電含有諧波經穩壓裝置穩壓后的電壓輸出波形圖

由圖7可以看出，經過穩壓裝置對岸電進行補償后諧波含量明顯減少，這說明穩壓裝置的補償是有效的。

4 結束語

本文分析了基于磁飽和式變壓器的岸電電壓自動穩定裝置，理論分析和仿真結果表明：

（1） 該裝置對岸電電壓在一定范圍內驟降或驟升的變化可以進行有效的補償；

（2） 對岸電含有的諧波，有較好的抑制作用。

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