磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)與研究

孫宏光 吳旭升 楊青

（1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)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(jìn)行供電，為了提高船上大功率空調(diào)機(jī)、照明設(shè)備等的使用壽命，為了保證船上的敏感設(shè)備和精密儀器等的安全運(yùn)行和使用，各種岸電電壓的凈化和調(diào)節(jié)設(shè)備得到了廣泛的研究和發(fā)展。但是目前占主導(dǎo)地位的是機(jī)電調(diào)節(jié)式自耦變壓器和多抽頭變壓器的調(diào)壓裝置。它們不但調(diào)節(jié)速度低，而且諧波抑制能力差，難以滿足負(fù)載對電能質(zhì)量的要求。

本文設(shè)計(jì)了新型的基于磁飽和式變壓器的岸電電壓自動穩(wěn)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(tài)工作點(diǎn)及磁特性，達(dá)到電壓穩(wěn)定輸出的效果[1,2]。

2 磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置的基本工作原理

磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置是一個(gè)利用反饋控制電路來控制磁飽和式變壓器上兩個(gè)晶閘管，通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角的大小實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓的穩(wěn)壓裝置[3]。

該自動穩(wěn)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(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)電路如圖1所示[4]。

圖1 磁飽和式電壓自動穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)電路

由圖1可以看出，磁飽和式變壓器輸出電壓經(jīng)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(tǒng)對采樣信號進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出控制信號控制磁飽和式變壓器上晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對電源電壓的補(bǔ)償，得到穩(wěn)定的輸出電壓。

該穩(wěn)壓裝置中磁飽和式變壓器采用如圖2所示的對稱結(jié)構(gòu)，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(gè)鐵心中，中間2個(gè)鐵心繞有6個(gè)繞組，其中鐵心上半部分匝數(shù)同為N的4個(gè)繞組構(gòu)成變壓器的原邊，下半部分匝數(shù)同為N的2個(gè)繞組構(gòu)成副邊。原邊的 4個(gè)繞組均設(shè)有抽頭，抽頭比為a=N2/N，每個(gè)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(gè)續(xù)流二極管。設(shè)原邊的兩抽頭間的繞組為控制繞組，剩下的兩個(gè)為工作繞組，則續(xù)流二極管及兩個(gè)晶閘管的控制構(gòu)成了整個(gè)變壓器的控制部分。通過PI反饋調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角來控制變壓器的直流磁通的大小，從而實(shí)現(xiàn)對控制變壓器原邊容量的調(diào)節(jié)。

圖2 磁飽和式變壓器結(jié)構(gòu)圖

3 磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置的數(shù)學(xué)模型

根據(jù)晶閘管VT1、VT2和續(xù)流二極管VD的可能導(dǎo)通情況，可得出變壓器的三種工作狀態(tài)：

（1） VT1導(dǎo)通，VD截止，VT2截止；（2） VT1 截止，VD導(dǎo)通，VT2截止；（3） VT1 截止，VD截止，VT2導(dǎo)通；

變壓器按照狀態(tài)（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(chǎn)生如圖3所示方向不變的環(huán)流，該環(huán)流產(chǎn)生的直流磁通引起變壓器中間兩個(gè)鐵心在一個(gè)周期內(nèi)增磁—去磁交替變化，從而實(shí)現(xiàn)變壓器原邊容量的調(diào)節(jié)[5,6]。

圖3 變壓器原邊工作電流示意圖

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

當(dāng)VT1導(dǎo)通，VD截止，VT2截止時(shí)，回路方程為：

當(dāng)VT1 截止，VD導(dǎo)通，VT2截止時(shí)，回路方程為：

當(dāng)VT1 截止，VD截止，VT2導(dǎo)通時(shí)，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(yīng)強(qiáng)度；B2為鐵心2的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

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

4 仿真研究

為了驗(yàn)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(wěn)定裝置的兩種工況進(jìn)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(xù)時(shí)間為0.06 s～0.12 s的情況下，穩(wěn)壓裝置的補(bǔ)償電壓波形如圖3和圖4所示；經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)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(shí)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓波形圖

圖4 岸電電壓驟升時(shí)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓波形圖

圖5 岸電電壓驟降或驟升經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)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(jīng)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償后，變壓器輸出的電壓波形與理論分析得到的結(jié)果是一致的。

（2）岸電中含有諧波[11]

當(dāng)岸電中含有諧波時(shí)，可以把諧波當(dāng)作偏離參考電壓進(jìn)行補(bǔ)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(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓的仿真圖如圖 6所示；經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)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(shí)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓波形圖

圖7 岸電含有諧波經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓后的電壓輸出波形圖

由圖7可以看出，經(jīng)過穩(wěn)壓裝置對岸電進(jìn)行補(bǔ)償后諧波含量明顯減少，這說明穩(wěn)壓裝置的補(bǔ)償是有效的。

4 結(jié)束語

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

（1） 該裝置對岸電電壓在一定范圍內(nèi)驟降或驟升的變化可以進(jìn)行有效的補(bǔ)償；

（2） 對岸電含有的諧波，有較好的抑制作用。

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