無觸點穩(wěn)壓裝置仿真研究＊

（海軍駐大連地區(qū)軍事代表室 大連 116021）

1 引言

在我國電力事業(yè)發(fā)展嚴(yán)重滯后于國民經(jīng)濟其他行業(yè)的情況下，電力供給不能滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和艦船設(shè)備的需要，經(jīng)常性出現(xiàn)供電不連續(xù)、不可靠以及供電電壓幅值不穩(wěn)定等現(xiàn)象。而這正是造成用電設(shè)備不能正常工作導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至損壞設(shè)備的原因。

艦船?？看a頭后使用岸電對艦船進(jìn)行供電，為了保證船上的敏感設(shè)備和精密儀器等安全運行和使用，各種電壓的凈化和調(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［1］。

本文設(shè)計了新型的無觸點穩(wěn)壓裝置，克服了現(xiàn)有機電調(diào)節(jié)式穩(wěn)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(diào)壓變壓器和有關(guān)元件構(gòu)成反饋控制網(wǎng)絡(luò)，用雙向可控硅作為開關(guān)器件。利用DSP作為控制器，采用雙向可控硅的過零觸發(fā)技術(shù)，通過雙向可控硅進(jìn)行補償檔檔位的選擇，最終輸出穩(wěn)定的電壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的［2～3］。

2 無觸點穩(wěn)壓裝置電路設(shè)計

2.1 穩(wěn)壓裝置結(jié)構(gòu)原理

圖1是無觸點穩(wěn)壓裝置原理結(jié)構(gòu)框圖。圖中，由三相補償變壓器和雙向可控硅構(gòu)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(diào)節(jié)單元，由A／D采樣、DSP控制單元等構(gòu)成反饋控制電路。

圖1 穩(wěn)壓裝置原理框圖

當(dāng)輸入電壓波動或是負(fù)載發(fā)生變化時，通過采樣變壓器獲取反饋電壓，經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)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(shù)［4］控制調(diào)節(jié)單元和補償單元上相應(yīng)的雙向可控硅觸發(fā)與關(guān)斷，實現(xiàn)自耦變壓器所需的調(diào)節(jié)電壓輸出，再由補償變壓器隔離降壓后輸出補償電壓，實現(xiàn)同相或反相補償，快速且有效地達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.2 穩(wěn)壓裝置的主電路

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

圖2 穩(wěn)壓裝置單相主電路

無觸點穩(wěn)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(fù)載電阻和15個雙向可控硅構(gòu)成。

2.3 穩(wěn)壓裝置工作原理

在無觸點穩(wěn)壓裝置中，自耦變壓器T2也稱調(diào)壓變壓器，它和S1～S1010個雙向可控硅構(gòu)成調(diào)節(jié)單元，是整個穩(wěn)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(shù)來滿足補償精度和輸入電壓范圍等參數(shù)技術(shù)要求。10個雙向可控硅S1～S10分別串聯(lián)在自耦變壓器的十級次級輸出端，根據(jù)所需補償電壓大小的不同，利用DSP實現(xiàn)S1～S10和S15中不同的雙向可控硅觸發(fā)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(diào)節(jié)電壓。設(shè)置補償變壓器的變比（一般設(shè)置為固定值），通過控制雙向可控硅S11～S14的導(dǎo)通狀況來改變補償變壓器的同名端，實現(xiàn)同相或是反相電壓補償。

以同相補償為例，假設(shè)補償變壓器的變比為1，當(dāng)電網(wǎng)電壓的有效值為200V 時，采樣變壓器獲取反饋電壓，A／D轉(zhuǎn)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(fā)S11、S14和S1導(dǎo)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(wǎng)電壓進(jìn)行同相補償，使得穩(wěn)壓裝置的輸出電壓在220V±2%之內(nèi)。如果電網(wǎng)電壓持續(xù)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(guān)斷后，由DSP輸出控制指令讓S15在電壓過零時刻觸發(fā)導(dǎo)通進(jìn)行續(xù)流，待電流過零，再等下一個電壓過零時刻S15自然關(guān)斷，同時觸發(fā)S2導(dǎo)通，這樣的電壓過零觸發(fā)和電流過零關(guān)斷避免了自耦變壓器兩級輸出間的短路，同時死負(fù)載R的存在也避免了對地的短路，較好地實現(xiàn)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(dá)到電壓補償?shù)哪康摹?/p>

3 無觸點穩(wěn)壓裝置單相數(shù)學(xué)模型

3.1 單相自耦變壓器數(shù)學(xué)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(fù)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(shù)差，即：

串聯(lián)線圈和公共線圈的磁勢大小相等，相位相反，即：

因此，串聯(lián)線圈和公共線圈可以當(dāng)作自耦變壓器的初級線圈和次級線圈來研究。

串聯(lián)線圈X1＿X2的電勢方程式為

主磁通在串聯(lián)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

式中，Zm是勵磁阻抗。

漏磁場在串聯(lián)線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

令串聯(lián)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(chǎn)生的感應(yīng)電勢為

漏磁場產(chǎn)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(shù)學(xué)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(wěn)壓裝置最終輸出的補償電壓。

設(shè)初級線圈匝數(shù)為NT1，次級線圈匝數(shù)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(shù)學(xué)模型為

在上式中：

3.3 單相無觸點穩(wěn)壓裝置數(shù)學(xué)模型

基于無觸點穩(wěn)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(fù)載端電壓，次級接負(fù)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(wǎng)，補償變壓器的負(fù)載是無觸點穩(wěn)壓裝置的負(fù)載，阻抗為ZA。

當(dāng)負(fù)載阻抗為ZA時，將ZA折算到補償變壓器初級得到等效負(fù)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(fù)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(jù)單相自耦變壓器的等效物理模型和數(shù)學(xué)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(fù)載端電壓與補償變壓器輸出的補償電壓之間的關(guān)系。根據(jù)無觸點穩(wěn)壓裝置的補償原理，設(shè)電網(wǎng)輸入電壓單相為，則有：

由式（34）、（35）可以計算得到電網(wǎng)輸入電壓與負(fù)載端電壓之間的關(guān)系為

式中：

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

4 無觸點穩(wěn)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(wěn)壓裝置仿真模型，并進(jìn)行仿真分析［10，12］。

圖5 反相補償波形圖

當(dāng)輸入電壓有效值大于220V、小于264V 時，設(shè)置輸入電壓有效值為255V，則穩(wěn)壓裝置對輸入電壓進(jìn)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(wěn)壓后電壓輸出波形。在0～0.02s時間內(nèi)，仿真計算輸入電壓有效值，仿真進(jìn)入瞬態(tài)階段，即0～0.02s為瞬態(tài)時間。輸入電壓有效值準(zhǔn)確計算后，仿真進(jìn)入穩(wěn)態(tài)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(yīng)的反并聯(lián)可控硅被觸發(fā)，自耦變壓器輸出調(diào)節(jié)電壓，經(jīng)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(xiàn)穩(wěn)壓功能。

設(shè)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(wěn)壓裝置對輸入電壓進(jìn)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(wěn)壓后輸出電壓波形。由波形可得，

仿真系統(tǒng)在0.02s以后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運行后對輸入電壓進(jìn)行了有效的反相補償，達(dá)到了預(yù)期的穩(wěn)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(wěn)壓裝置的工作原理。從圖5和圖6可得，當(dāng)仿真系統(tǒng)運行進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，補償電壓波形和穩(wěn)壓輸出波形都是平滑的正弦波，并且穩(wěn)壓后電壓的有效值都在220V±2%之內(nèi)。仿真研究證明了無觸點穩(wěn)壓裝置工作原理的可行性。

5 結(jié)語

本文介紹了無觸點岸電穩(wěn)壓裝置自動穩(wěn)壓的實現(xiàn)方法，分析了無觸點岸電穩(wěn)壓裝置的工作原理，同時建立了其主要構(gòu)成部分（自耦變壓器、補償變壓器）和單相穩(wěn)壓裝置數(shù)學(xué)模型。仿真結(jié)果表明：負(fù)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(wěn)壓裝置能夠正常工作并且穩(wěn)壓后電壓的有效值都在220 V±2%之內(nèi)，達(dá)到了穩(wěn)壓的目的。

設(shè)計的無觸點岸電穩(wěn)壓裝置在艦船上具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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