無觸點穩壓裝置仿真研究＊

（海軍駐大連地區軍事代表室 大連 116021）

1 引言

在我國電力事業發展嚴重滯后于國民經濟其他行業的情況下，電力供給不能滿足工農業生產和艦船設備的需要，經常性出現供電不連續、不可靠以及供電電壓幅值不穩定等現象。而這正是造成用電設備不能正常工作導致產品質量下降，甚至損壞設備的原因。

艦船停靠碼頭后使用岸電對艦船進行供電，為了保證船上的敏感設備和精密儀器等安全運行和使用，各種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［1］。

本文設計了新型的無觸點穩壓裝置，克服了現有機電調節式穩壓裝置存在的缺點，其主電路是三相獨立的補償變壓器，運用DSP、三相獨立的自耦調壓變壓器和有關元件構成反饋控制網絡，用雙向可控硅作為開關器件。利用DSP作為控制器，采用雙向可控硅的過零觸發技術，通過雙向可控硅進行補償檔檔位的選擇，最終輸出穩定的電壓，達到穩壓的目的［2～3］。

2 無觸點穩壓裝置電路設計

2.1 穩壓裝置結構原理

圖1是無觸點穩壓裝置原理結構框圖。圖中，由三相補償變壓器和雙向可控硅構成可控補償單元，利用雙向可控硅和三相自耦變壓器組成無觸點可控調節單元，由A／D采樣、DSP控制單元等構成反饋控制電路。

圖1 穩壓裝置原理框圖

當輸入電壓波動或是負載發生變化時，通過采樣變壓器獲取反饋電壓，經A／D 轉換后將信號輸入DSP 控制器，由軟件處理后輸出控制指令，并利用過零檢測技術［4］控制調節單元和補償單元上相應的雙向可控硅觸發與關斷，實現自耦變壓器所需的調節電壓輸出，再由補償變壓器隔離降壓后輸出補償電壓，實現同相或反相補償，快速且有效地達到穩定輸出電壓的目的。

2.2 穩壓裝置的主電路

在三相對稱負載工況下，無觸點穩壓裝置的三相電路獨立工作。因此，通過三相負載對稱工況下無觸點穩壓裝置的工作狀態可分析單相無觸點穩壓裝置負載工況下的工作狀態。單相主電路如圖2所示。

圖2 穩壓裝置單相主電路

無觸點穩壓裝置的單相主電路主要由1 臺補償變壓器、1臺自耦變壓器、1個死負載電阻和15個雙向可控硅構成。

2.3 穩壓裝置工作原理

在無觸點穩壓裝置中，自耦變壓器T2也稱調壓變壓器，它和S1～S1010個雙向可控硅構成調節單元，是整個穩壓裝置的核心單元。這里的自耦變壓器是一個多級輸出的變壓器，可以通過改變次級輸出的級數來滿足補償精度和輸入電壓范圍等參數技術要求。10個雙向可控硅S1～S10分別串聯在自耦變壓器的十級次級輸出端，根據所需補償電壓大小的不同，利用DSP實現S1～S10和S15中不同的雙向可控硅觸發控制。

補償變壓器是一臺隔離降壓變壓器，初級輸入電壓是自耦變壓器輸出的調節電壓。設置補償變壓器的變比（一般設置為固定值），通過控制雙向可控硅S11～S14的導通狀況來改變補償變壓器的同名端，實現同相或是反相電壓補償。

以同相補償為例，假設補償變壓器的變比為1，當電網電壓的有效值為200V 時，采樣變壓器獲取反饋電壓，A／D轉換后輸入DSP控制器，由DSP軟件處理后輸出指令，在電壓過零時刻觸發S11、S14和S1導通，自耦變壓器輸出有效值為22V 的交流電壓，再由補償變壓器隔離降壓后對電網電壓進行同相補償，使得穩壓裝置的輸出電壓在220V±2%之內。如果電網電壓持續降低至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自然關斷后，由DSP輸出控制指令讓S15在電壓過零時刻觸發導通進行續流，待電流過零，再等下一個電壓過零時刻S15自然關斷，同時觸發S2導通，這樣的電壓過零觸發和電流過零關斷避免了自耦變壓器兩級輸出間的短路，同時死負載R的存在也避免了對地的短路，較好地實現了自耦變壓器上雙向可控硅的檔位切換，最終快速有效地達到電壓補償的目的。

3 無觸點穩壓裝置單相數學模型

3.1 單相自耦變壓器數學模型

圖3所示是單相自耦變壓器的連接圖［5］。

單相自耦變壓器負載運行時的磁勢方程［6］為

式中，是通過線圈的勵磁電流。

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電流的代數差，即：

串聯線圈和公共線圈的磁勢大小相等，相位相反，即：

因此，串聯線圈和公共線圈可以當作自耦變壓器的初級線圈和次級線圈來研究。

串聯線圈X1＿X2的電勢方程式為

主磁通在串聯線圈中產生的感應電勢為

式中，Zm是勵磁阻抗。

漏磁場在串聯線圈中產生的感應電勢為

令串聯線圈的阻抗為Zσ＝rσ＋jxσ，則該線圈的電勢方程式（7）可化為

公共線圈X2＿X3的電勢方程式為

主磁通產生的感應電勢為

漏磁場產生的電勢為

將式（2）、（12）、（13）代入式（11），得到公共線圈的電勢方程為

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 單相補償變壓器數學模型

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

圖4 A 相補償變壓器等效物理模型

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

設初級線圈匝數為NT1，次級線圈匝數為NT2，則A相補償變壓器的變比為

把次級電流、次級等效電阻rTA2、電抗XTA2折算到初級可得：

由圖4電路分析，可建立A相補償變壓器的數學模型為

在上式中：

3.3 單相無觸點穩壓裝置數學模型

基于無觸點穩壓裝置單相工作原理［9］可以得到，自耦變壓器的初級輸入電壓U1是ZA負載端電壓，次級接負載為補償變壓器；補償變壓器的初級輸入電壓是自耦變壓器的次級輸出電壓，補償變壓器的次級輸出電壓并網，補償變壓器的負載是無觸點穩壓裝置的負載，阻抗為ZA。

當負載阻抗為ZA時，將ZA折算到補償變壓器初級得到等效負載阻抗ZA′為

補償變壓器的初級輸入電壓為

式中：

令自耦變壓器的負載阻抗為ZL，則：

將ZL折算到自耦變壓器初級得到等效阻抗ZL′為

根據單相自耦變壓器的等效物理模型和數學模型分析計算得到：

由式（29）、（30）、（31）、（32）可計算得到：

由式（34）得到了負載端電壓與補償變壓器輸出的補償電壓之間的關系。根據無觸點穩壓裝置的補償原理，設電網輸入電壓單相為，則有：

由式（34）、（35）可以計算得到電網輸入電壓與負載端電壓之間的關系為

式中：

由式（36）得到了無觸點穩壓裝置負載端電壓與電網輸入電壓之間的關系，式中的各個阻抗值均是自耦變壓器、補償變壓器的參數，因此，由式（36）得到無觸點穩壓裝置對稱負載時的數學模型。

4 無觸點穩壓裝置仿真分析

為了驗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穩壓裝置仿真模型，并進行仿真分析［10，12］。

圖5 反相補償波形圖

當輸入電壓有效值大于220V、小于264V 時，設置輸入電壓有效值為255V，則穩壓裝置對輸入電壓進行反相補償，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、補償電壓波形和穩壓后電壓輸出波形。在0～0.02s時間內，仿真計算輸入電壓有效值，仿真進入瞬態階段，即0～0.02s為瞬態時間。輸入電壓有效值準確計算后，仿真進入穩態階段，即在0.02s后自耦變壓器次級輸出端和補償變壓器初級輸入端相應的反并聯可控硅被觸發，自耦變壓器輸出調節電壓，經補償變壓器隔離降壓后補償輸入電壓，得到有效值為220V±2%的輸出電壓，有效地實現穩壓功能。

設置輸入電壓有效值為180V，即輸入電壓大于176V、小于220V，運行圖5仿真模型，則穩壓裝置對輸入電壓進行同相補償，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、補償電壓波形和穩壓后輸出電壓波形。由波形可得，

仿真系統在0.02s以后進入穩態運行后對輸入電壓進行了有效的反相補償，達到了預期的穩壓效果。

綜上所述，輸入電壓有效值在176V～264V 之間波動的情況下，仿真研究分析了無觸點穩壓裝置的工作原理。從圖5和圖6可得，當仿真系統運行進入穩態后，補償電壓波形和穩壓輸出波形都是平滑的正弦波，并且穩壓后電壓的有效值都在220V±2%之內。仿真研究證明了無觸點穩壓裝置工作原理的可行性。

5 結語

本文介紹了無觸點岸電穩壓裝置自動穩壓的實現方法，分析了無觸點岸電穩壓裝置的工作原理，同時建立了其主要構成部分（自耦變壓器、補償變壓器）和單相穩壓裝置數學模型。仿真結果表明：負載對稱工況時，輸入電壓有效值在176V～264V 之間波動的情況下，無觸點穩壓裝置能夠正常工作并且穩壓后電壓的有效值都在220 V±2%之內，達到了穩壓的目的。

設計的無觸點岸電穩壓裝置在艦船上具有一定的推廣應用價值。

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