一種無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)

李海林 劉小虎

（海軍工程大學(xué)管理工程系, 武漢 430033）

當(dāng)船舶?？看a頭時(shí)，經(jīng)常要采用岸電供電。尤其是當(dāng)船舶長(zhǎng)期停靠碼頭時(shí)，船上除去生活用電外，還要進(jìn)行日常的訓(xùn)練以及設(shè)備保養(yǎng)工作，這對(duì)供電品質(zhì)都有一定的要求[1]。由于我國(guó)的交流電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展不平衡，用電設(shè)備的配置也不合理使供電質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響，經(jīng)常出現(xiàn)過壓、欠壓等現(xiàn)象[2]。當(dāng)供電電壓波動(dòng)范圍太大時(shí)，船舶上的電氣設(shè)備的運(yùn)行和性能均會(huì)受到影響。因此在船舶上采用岸電穩(wěn)壓系統(tǒng)非常有必要。

隨著電力電子器件和控制技術(shù)的發(fā)展，采用電子開關(guān)控制變壓器繞組組合來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償穩(wěn)壓的新型交流穩(wěn)壓器，將逐步取代機(jī)電式補(bǔ)償穩(wěn)壓電源中笨重而反應(yīng)慢的電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及炭刷機(jī)構(gòu)，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度及維護(hù)方面有明顯的改善[3]。目前，關(guān)于無(wú)觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓器的方案比較多，其中大多數(shù)采用雙向可控硅來(lái)作為執(zhí)行元件。采用雙向可控硅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但是，雙向可控硅一般是半控型器件，其關(guān)斷操作不易控制；尤其對(duì)交流穩(wěn)壓系統(tǒng)而言，當(dāng)負(fù)載為電感性時(shí)，電壓過零點(diǎn)處電流還不為零，在這種情況下，上臂的可控硅沒有關(guān)斷，而下臂的可控硅導(dǎo)通，由此直接導(dǎo)致相間短路[4-5]。因此，這里提出一種采用全控型器件IGBT作為開關(guān)器件的方案。并給出了系統(tǒng)的硬件、軟件實(shí)現(xiàn)。

1 補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓原理

圖1示出補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器原理。由圖可知，輸出電壓U0與輸入電壓Ui及補(bǔ)償電壓?u的關(guān)系如下：

圖1 補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器原理圖

圖2示出交流穩(wěn)壓器的電壓補(bǔ)償示意圖。當(dāng)輸入電壓Ui降落時(shí)，通過補(bǔ)償變壓器補(bǔ)償+?u，從而維持輸出電壓 U0不變，當(dāng)輸入電壓Ui升高時(shí)，通過補(bǔ)償變壓器反相補(bǔ)償-?u，依然維持輸出U0不變。由圖2可見，該穩(wěn)壓器只補(bǔ)償輸入電壓升高或跌落部分，而無(wú)需承擔(dān)負(fù)荷所需的全部電壓，因此穩(wěn)壓器承擔(dān)的最大功率僅為負(fù)載功率的20%（假設(shè)電壓補(bǔ)償范圍為20%）。

圖2 交流穩(wěn)壓器電壓補(bǔ)償示意圖

3 主電路結(jié)構(gòu)及工作過程

一相的主電路如圖3所示。圖中，TR1、TR2、TR3是 3個(gè)獨(dú)立的補(bǔ)償變壓器，其二次繞組上的補(bǔ)償電壓設(shè)計(jì)為4.4 V、8.8 V、30.8 V等。當(dāng)順極性（或反極性）疊加全部投入時(shí)，可以獲得最大正負(fù)補(bǔ)償電壓為44 V，滿足最大20%的最大補(bǔ)償范圍，而補(bǔ)償精度可以達(dá)到2%。

圖3 交流穩(wěn)壓器主電路

圖3中 S1～S8是開關(guān)器件,它與補(bǔ)償變壓器TR1、TR2、TR3組成“多全橋電路”形式，圖中S7和S8為公用橋臂，它分別與S1、S2、S3和S4、S5、S6組成3個(gè)全橋電路。工作過程為：當(dāng)輸入電壓Ui高于額定值時(shí)，要求補(bǔ)償變壓器TR1、TR2、TR3中的 1個(gè)、2個(gè)或 3個(gè)同時(shí)工作，產(chǎn)生反極性的電動(dòng)勢(shì)來(lái)抵消Ui升高的那部分電壓。例如：經(jīng)判斷僅需TR1投入時(shí)(設(shè)Ui極性為U正N負(fù))，可觸發(fā)S1和S8導(dǎo)通，電流通路為：U→TR1(上繞組)→S1→TR1(下繞組)→S8→N。當(dāng) U、N反極性時(shí)，沿上述通路反向流動(dòng)。當(dāng)輸入電壓Ui低于額定值時(shí)，需要TR1產(chǎn)生順極性電動(dòng)勢(shì)補(bǔ)足Ui所缺的那部分電壓，可使S2和S7導(dǎo)通。如果Ui升高(或降低)較多，需要TR1和TR2同時(shí)投入，在UI高于額定值時(shí)，可使 S1、S3和 S8導(dǎo)通；在 Ui低于額定值時(shí)，可使S2、S4和S7導(dǎo)通。如果需要TR1、TR2和TR3都投入，在Ui高于額定值時(shí)，使S1、S3、S5和 S8導(dǎo)通；在 Ui低于額定值時(shí)，使 S2、S4、S6和 S7導(dǎo)通。

圖3中的電子開關(guān)器件一般是雙向可控硅，這里采用雙向可控硅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。但是雙向可控硅是半控型器件，在帶感性負(fù)載時(shí)容易出現(xiàn)關(guān)斷失敗，導(dǎo)致相間短路；這里采用IGBT替代雙向可控硅，作為執(zhí)行元件。IGBT是標(biāo)準(zhǔn)的電壓控制方式的全控型器件，在電力電子領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是把IGBT作為電子開關(guān)來(lái)使用，不能簡(jiǎn)單的反并聯(lián)來(lái)處理，因?yàn)镮GBT模塊一般都集成了反并聯(lián)二極管模塊，如果直接反并聯(lián)，則完全起不到開關(guān)的作用。IGBT作為電子開關(guān)的處理如圖4所示。

圖4 IGBT電子開關(guān)

當(dāng)然，使用IGBT時(shí)，為了保證器件可靠的開通或者關(guān)斷，可以采用專用的驅(qū)動(dòng)模塊，例如富士公司的EXB841模塊。同時(shí)還要采用一定的吸收電路，來(lái)抑制過電壓或者過電流，減小器件的開關(guān)損耗，達(dá)到保護(hù)IGBT的目的。

4 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路如圖5所示。它由89C51單片機(jī)系統(tǒng)、外擴(kuò)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)等接口電路構(gòu)成。

圖5 控制電路

控制電路中，反饋信號(hào)要取輸出交流電的有效值。這里采用了簡(jiǎn)化處理的方案，即采用取樣變壓器將輸出電壓經(jīng)過降壓和隔離處理，然后經(jīng)過全波整流電路變成0～5 V的直流電壓，最后通過采樣芯片 ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸出到單片機(jī)。另一方面，IGBT的控制信號(hào)一定要參考交流的電壓過零點(diǎn)，這樣可以保證經(jīng)過補(bǔ)償后的交流電畸變小，諧波含量少。

5 控制軟件設(shè)計(jì)

該控制器的控制軟件流程見圖6所示。

圖6 控制器控制軟件流程

在軟件設(shè)計(jì)過程中，必須考慮如下有關(guān)技術(shù)問題：

1) 為減少開機(jī)瞬間大電流對(duì)設(shè)備的沖擊及操作過電壓的影響，在軟件中設(shè)計(jì)了軟啟動(dòng)程序，開機(jī)后先進(jìn)行延時(shí)檢測(cè)直到電壓和開關(guān)處于穩(wěn)態(tài)條件時(shí)再向下運(yùn)行。

2) 為了防止相間發(fā)生短路，同一相的兩個(gè)臂的開關(guān)器件的開關(guān)控制信號(hào)必須加入一定時(shí)區(qū)。軟件上的實(shí)現(xiàn)方法主要是，在兩個(gè)控制字之間插入一定的延時(shí)，一般幾微秒就可以了。

6 結(jié)束語(yǔ)

按照上述搭建了一個(gè)三相30 kVA的無(wú)觸點(diǎn)交流穩(wěn)壓器試驗(yàn)平臺(tái)，補(bǔ)償變壓器為 6.5 kVA。選用60 A/1200 V模塊IGBT。圖7(a)示出同相補(bǔ)償波形，此時(shí)輸入電壓Uin=200 V，正相補(bǔ)償電壓?u=+19V；圖7(b)示出反相補(bǔ)償波形，此時(shí)Uin=239 V，反相補(bǔ)償電壓?u = -20 V。無(wú)論正向補(bǔ)償還是反向補(bǔ)償，輸出電壓U0都穩(wěn)定在219 V。

圖7 補(bǔ)償電壓波形

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，該電源的有關(guān)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)壓范圍220 V(1±20%)；穩(wěn)壓精度2%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間0.01～0.0 s；短時(shí)過載能力負(fù)載額定電流的 1.5倍；采用分相調(diào)節(jié)，具有三相輸出自動(dòng)平衡功能；保護(hù)功能具有對(duì)主回路故障判斷報(bào)警功能，以及過壓、欠壓、過流和短路保護(hù)功能且能自動(dòng)延時(shí)恢復(fù)。

[1]劉華毅, 陳將. 無(wú)觸點(diǎn)大功率補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源[J]. 電氣時(shí)代, 2005, (8)：116～117.

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[5]曹以龍, 張之揚(yáng). 電力系統(tǒng)中無(wú)觸點(diǎn)有載調(diào)壓裝置的研究與應(yīng)用[J]. 電氣技術(shù), 2008,(6)：36～39.