無觸點補償式交流穩(wěn)壓器的簡單研究

高瑜 劉斯禹 郭天飛

摘 要：近年來，交流穩(wěn)壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)發(fā)展勢頭迅猛。針對目前機械觸點式的交流穩(wěn)壓器壽命短、損耗大、故障率高、響應(yīng)慢等特點，該文提出一種新型無觸點穩(wěn)壓器，其基本電路主要由并聯(lián)繞組、串聯(lián)繞組和晶閘管組成。該交流穩(wěn)壓器調(diào)壓范圍寬，響應(yīng)較快，準確度較高，可以滿足一般場合的穩(wěn)壓要求。該文簡單介紹了交流穩(wěn)壓器的研究背景，主要分析了串聯(lián)補償式穩(wěn)壓器的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：無觸點 補償式 穩(wěn)壓器

中圖分類號：TM44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）07（b）-0020-02

1 研究背景

隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，社會對電能質(zhì)量提出了更高的要求。在電網(wǎng)公司進行負荷調(diào)度以維持電網(wǎng)穩(wěn)定的同時，許多用戶在負荷端自行配置穩(wěn)壓裝置以維持自身電壓穩(wěn)定。其中，交流穩(wěn)壓器已成為許多機電設(shè)備不可或缺的供電裝置。

現(xiàn)在，市場上的大功率交流穩(wěn)壓器以機械刷式的為主，存在壽命短，維護頻繁復雜、易引起電磁干擾、響應(yīng)速度慢、大電流時易產(chǎn)生火花等缺點。以半導體器件為基礎(chǔ)的電力穩(wěn)壓器在響應(yīng)速度、控制性能、效率、體積、重量等方面顯現(xiàn)出優(yōu)越性。因此，大功率電力穩(wěn)壓器向著采用電力電子技術(shù)的方向發(fā)展。

2 交流穩(wěn)壓器總體設(shè)計

2.1 電壓串聯(lián)補償原理

由圖1可知：Uout=Uin+△U，其中Uin 為電網(wǎng)側(cè)輸入電壓，△U為補償電壓，Uout 為穩(wěn)壓器輸出電壓。當Uin 低于Us 時（為穩(wěn)壓器的設(shè)定電壓），△U為正補償；當Uin等于Us 時，調(diào)壓裝置不動作，△U為0補償。當Uin 高于Us 時，△U為負補償。

當負荷端電壓在穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)波動時，穩(wěn)壓器就可以通過智能調(diào)壓補償裝置使電壓維持在正常的設(shè)定電壓。穩(wěn)壓器[1]只需補償電壓偏差電壓△U，而無需承擔負荷的全部電壓，從而大大減小了穩(wěn)壓器單位額定容量所需的鐵磁材料，也減小了開關(guān)器件的實際承載電壓，因此，采用電壓串聯(lián)補償技術(shù)研制的穩(wěn)壓器可以做到大容量輸出。

2.2 雙向晶閘管觸發(fā)與門極控制方式介紹

穩(wěn)壓器使用的是雙向晶閘管，其外形與普通晶閘管類似，但它的內(nèi)部是由一種5層結(jié)構(gòu)（NPNPN）構(gòu)成，并引出3個端線。

雙向晶閘管只有一個控制極，通過這個它就能正常控制雙向晶閘管工作，所以它的觸發(fā)電路比較簡單。這樣能給設(shè)計和制造帶來很多的方便，也能使電路的可靠性得到提升，并且使設(shè)備的體積縮小，重量減輕，這是雙向晶閘管的一個突出優(yōu)點。

雙向晶閘管有兩種常用的控制方式：移相觸發(fā)和過零觸發(fā)。后者適用于無觸點開關(guān)電路及調(diào)功電路，是在電壓或電流零點附近觸發(fā)晶閘管通斷，在設(shè)定的時間間隔內(nèi)，改變晶閘管導通的周波數(shù)來控制電壓或功率。該穩(wěn)壓器采用的即是過零觸發(fā)方式。

如何正確選擇及使用晶閘管，最重要的是對其陽極和門級的伏安特性和主要參數(shù)進行了解。該文所選擇的晶閘管的額定電壓約為元件所能承受的最大瞬時電壓的2～3倍。此外，選晶閘管額定電流參數(shù)的有效值應(yīng)該大于它在電路中可能出現(xiàn)的最大電流的有效值，且一般選擇1.5～2倍的安全裕量。雙向晶閘管的伏安特性為正反向?qū)ΨQ，其主要參數(shù)為斷態(tài)重復峰值電壓UDRM 和額定通態(tài)電流IT。雙向晶閘管的額定通態(tài)電流是有效值，這是因為它的正方向都能觸發(fā)導通。雙向晶閘管額定電流（即均方根值電流）與普通晶閘管額定電流（即平均值電流）之間的換算公式為：

IT（AV）=IT（RMS）=0.45I（RMS）

2.3 主電路拓撲結(jié)構(gòu)分析

穩(wěn)壓器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]：主電路由帶分接頭的自耦調(diào)壓變壓器T1 和串聯(lián)補償變壓器T2 組成。

S0～S6 為通過智能控制系統(tǒng)控制的晶閘管模塊。S2～S6 通過改變自耦變壓器的變比而控制自耦變壓器的二次電壓U0， S0～S1 通過改變補償變壓器T2 的一次繞組的接入點而控制補償電壓的正負。與補償變壓器T2一次繞組并聯(lián)的RC電路是為了抑制在換擋瞬間因補償變壓器 T2 一次繞組暫時開路而引起的沖擊電流。由于穩(wěn)態(tài)運行時，RC電路只消耗極小的電流，因此在下面的電路拓撲結(jié)構(gòu)分析過程中忽略不計RC電路的影響。為了便于分析，該文假設(shè)補償變壓器T2 的一次側(cè)電壓U1的參考正極為右端。則根據(jù)主電路的電磁關(guān)系可得：

由式（8）得，當K1分別為1、4/3、4/2、4/1、4/0、時，補償電壓U2的值占Uin的比重分別為-8%、-6%、-4%、-2%、0。

若設(shè)定的額定輸出電壓Uout為220 V。當電壓為最大正補償8%時，輸入電壓Uin最低可以為204 V；當電壓為最大負補償-8%時，輸入電壓Uin最高可以為239 V。因此，該拓撲結(jié)構(gòu)適用于寬范圍、大容量的穩(wěn)壓器。

若輸出額定電壓Uout為40 V，為了更好的演示實驗結(jié)果，取K2為6.25。當接通時，補償電壓U2的值占Uin的比重分別為0，4%、8%、12%、16%；當接通時，補償電壓U2的值占Uin的比重分別為-16%、-12%、-8%、-4%、0。因此，交流電壓輸入范圍為34～48 V。

2.4 主電路浪涌電流分析及抑制

浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠遠大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。在換擋瞬間，補償變壓器T2 一次繞組暫時開路引起浪涌電流，該電流易導致電路元件損害、設(shè)備誤動、縮短使用壽命等危害。為此，與補償變壓器T2 一次繞組并聯(lián)的RC電路是為了抑制浪涌電流的產(chǎn)生，從而保護主電路各設(shè)備的正常運行。

參考文獻

[1] 李海林，劉小虎.一種無觸點補償式交流穩(wěn)壓器的設(shè)計[J].船電技術(shù)，2010（4）：34-36.

[2] 王兆安，劉進軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 孫海濤，仝永強.自動補償式交流穩(wěn)壓電源的研制[J].變壓器，2005，42（2）：15-17.