無觸點調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應用研究

胡 凱，涂金龍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院，南京 211188)

無觸點調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應用研究

胡 凱，涂金龍

(南京交通職業(yè)技術(shù)學院，南京 211188)

針對農(nóng)業(yè)灌溉中水泵電機端電壓波動較大等問題，將無觸點電磁調(diào)壓技術(shù)應用其中，并對其進行了分析，給出了環(huán)流計算公式。同時對使用MCT801A智能模塊實現(xiàn)的高性能、高可靠的無觸點調(diào)壓穩(wěn)壓電源的原理進行了介紹，給出了仿真波形及實測的電壓電流波形。該技術(shù)的應用，使大功率晶閘管的數(shù)量減少一半，在擋位切換時能做到電流連續(xù)且無沖擊，無過電壓或電壓跌落現(xiàn)象，在農(nóng)業(yè)灌溉中為水泵電機提供穩(wěn)定電壓，保證其長期穩(wěn)定高效的工作。

灌溉；水泵；無觸點調(diào)壓；研究

0 引 言

由于農(nóng)村電網(wǎng)發(fā)展起步較晚，其供電距離普遍較長、供電線路線徑較細，電壓損耗較大。加之近幾年農(nóng)村生活質(zhì)量的不斷提高、家電下鄉(xiāng)，農(nóng)業(yè)電氣產(chǎn)品越來越多的使用，造成用電負荷增長過快，最終導致電壓偏低或電壓波動頻繁[1]。而用于農(nóng)業(yè)灌溉的專用水泵長期運行在不穩(wěn)定的電壓環(huán)境中，無論對于水泵的使用壽命，還是對灌溉的效果都會造成一定的影響。

自晶閘管誕生以來，人們就開始在電磁調(diào)壓器中用晶閘管來代替一些有觸點元件，如繼電器、接觸器等，相對于有觸點器件而言，這無疑提升了產(chǎn)品的某些性能。然而，經(jīng)過大量的研究和實踐表明，在充分發(fā)揮無觸點電磁調(diào)壓產(chǎn)品性能的過程中遇到了種種難題。特別是對于電感性負載，由于電壓與電流之間存在相位差，加之電網(wǎng)的電磁環(huán)境惡劣，無法兼顧到產(chǎn)品的高性能與高可靠性[2-3]。因此，研制高性能、高可靠性的無觸點電磁調(diào)壓產(chǎn)品，屬于目前的技術(shù)難題。

為了提高無觸點電磁調(diào)壓產(chǎn)品的可靠性，通過采用了增加晶閘管數(shù)量、使用過渡電阻或電抗器的技術(shù)措施，取得了明顯的效果。但這種技術(shù)手段的問題是晶閘管的容量需要大大增加，并且使用晶閘管的數(shù)量增加了一倍，同時還需要配備一些大功率的電阻元件，從性能上看，在調(diào)壓切換擋位時容易產(chǎn)生沖擊電流和導致輸出電壓跌落。

灌溉水泵屬于感性負載，受農(nóng)村電網(wǎng)波動的影響，其端電壓在運行過程中會頻繁變化，因此，研制高性能高可靠的快速有載調(diào)壓穩(wěn)壓裝置，做到調(diào)壓換檔時電流無間斷、無電流沖擊、無過電壓現(xiàn)象，保證電壓輸出穩(wěn)定，將具有十分重要的意義。

1 電磁調(diào)壓穩(wěn)壓原理分析

1.1 理想的無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路

理想的3擋無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路如圖1所示。當輸入電壓Uin變化時，恰當選擇V1～V3中的一個雙向晶閘管導通，可使輸出電壓Uout穩(wěn)定在一定的允許范圍內(nèi)?；蛘弋斝枰敵鲭妷喊匆欢ㄒ?guī)律變化時，可通過恰當選擇V1～V3中的一個雙向晶閘管導通即可[4-5]。在理想情況下，各抽頭之間的轉(zhuǎn)換是在瞬間完成，沒有沖擊電流形成。

理想的無觸點電磁調(diào)壓很容易在純電阻性質(zhì)的負載中實現(xiàn)，只需要使用電壓過零型的固態(tài)繼電器即可達到目的，控制技術(shù)也比較簡單。

圖1 理想的3擋無觸點電磁調(diào)壓產(chǎn)品電氣主回路原理圖

1.2 常規(guī)的無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路

常規(guī)的3擋無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路如圖2所示，其工作原理是：當輸入電壓Uin變化時，恰當選擇V1/V2～V5/V6三組中的一組或一個雙向晶閘管導通，可使輸出電壓Uout穩(wěn)定在一定的允許范圍內(nèi)。

當需要改變變壓器抽頭來切換擋位時(如從1擋切換到2擋)，首先觸發(fā)下一組中串聯(lián)有限流電阻的雙向晶閘管(如V3)導通，經(jīng)過一段時間后，待當前擋位的2只雙向晶閘管(V1和V2)均截止后，再延時觸發(fā)下一組中不含串聯(lián)電阻的雙向晶閘管(V4)導通，V4導通后，可停止給串聯(lián)有電阻的雙向晶閘管V3觸發(fā)。

這種技術(shù)方案對負載性質(zhì)沒有限制，控制也比較方便，這是它的優(yōu)點，其缺點是在調(diào)壓切換擋位時容易產(chǎn)生沖擊電流和導致輸出電壓跌落，不適合作為高性能的調(diào)壓產(chǎn)品。

1.3 簡化的等效電路及其環(huán)流計算

簡化的2擋無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路的等效電路如圖3所示。

用受控源U1來代替變壓器調(diào)壓繞組的電壓，當忽略繞組電阻及漏電抗時，有U1=kUi，其中k=N1/N，N1、N分別為調(diào)壓繞組的匝數(shù)和變壓器繞組的全部匝數(shù)，顯然有0

圖2 常規(guī)的3擋無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路

圖3 簡化的2擋無觸點電磁調(diào)壓電氣主回路的等效電路圖

設(shè)Ui=Umsin(ωt+θ)，則U1=kUmsin(ωt+θ)，在S2、S3閉合的擋位切換過渡過程中，由U1在Rs2、Ls2、S2、R1、S3、U1構(gòu)成的回路中的環(huán)流為ih，通常這一環(huán)流遠大于負載電流，當忽略負載電流時，列回路方程如下：

(1)

解此常系數(shù)線性微分方程得：

(2)

式中：

R=R1+Rs2

α=arctan(ωLs2/R)

(3)

通常調(diào)壓繞組的匝數(shù)較少，因此Rs2、Ls2很小。切換擋位時變壓器副邊繞組間必然存在環(huán)流ih，這種沖擊電流必然導致輸出電壓有不正常的跌落，如果供電線路較長，還會對周邊的用電器造成影響，當連續(xù)快速地切換擋位時，就會導致雙向晶閘管及其串聯(lián)的電阻或者變壓器燒壞[6-7]。從公式(3)及等效電路圖中可以看出，電路中使用的電阻R1的阻值越小引起的環(huán)流就越大。當R1為0時，巨大的環(huán)流很容易導致開關(guān)器件瞬間燒壞，這相當于圖1中的擋位直接切換，因而其可靠性很差。要解決這個問題，就需要對電壓電流等參數(shù)進行準確地檢測，準確地觸發(fā)每個雙向晶閘管，才能做到高性能與高可靠的有機統(tǒng)一。

1.4 用MCT801A控制的無觸點穩(wěn)壓電源

圖4 MCT801A控制的無觸點穩(wěn)壓電源電氣主電路原理圖

用MCT801A專用智能模塊控制的MWY2型無觸點穩(wěn)壓電源電氣主回路如圖4所示。變壓器T1原邊有5個繞組，用6個端子引出，通過組合，輸出電壓可調(diào)節(jié)的擋位數(shù)為15。MCT801A將輸出電壓的理論值與檢測到的輸出電壓實際值進行比較，確定雙向晶閘管S1～S8中的導通與閉合狀態(tài)，在電流零點將控制信號輸出到S1～S8中，以選擇接入變壓器T1的工作匝數(shù)，從而將輸出電壓穩(wěn)定。

2 電磁調(diào)壓工作的仿真波形與實測波形

2.1 無觸點調(diào)壓時的仿真波形

圖5是當輸入電壓固定時采用15擋順序調(diào)節(jié)輸出電壓的計算機仿真波形，圖6是2擋大幅度調(diào)節(jié)輸出電壓的計算機仿真波形，紅色波形1為電壓波形，黑色波形2為電流波形，負載為電抗器。

圖5 15擋調(diào)壓仿真波形

圖6 2擋大幅度調(diào)壓仿真波形

2.2 無觸點調(diào)壓時的實測波形

圖7是用Tektronix TDS2002數(shù)字示波器以不同的掃描速率下使用自動快速測試程序在電感負載下快速切換擋位時的電壓電流波形，示波器工作在自動觸發(fā)方式，黃色波形1是輸出電壓波形，藍色波形2是輸出電流波形，有4個調(diào)壓擋位。

圖7 電感負載下快速切換擋位時的電壓電流波形

3 結(jié) 論

無觸點電磁調(diào)壓技術(shù)經(jīng)過多年的研究，在擋位切換的關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)取得了突破性進展，目前已經(jīng)研制的產(chǎn)品在多種負載包括空載、電阻負載、電感負載以及路燈等，經(jīng)過了較長時間的嚴酷測試，累計換擋次數(shù)超過了200,000,000次。其相關(guān)產(chǎn)品也在道路照明中投入使用，在照明節(jié)能、提高燈具的壽命、減少燈具的維護工作量等方面起到了積極的作用。

本文將無觸點有載調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)灌溉活動當中，該技術(shù)在電氣主回路中不需要串聯(lián)電阻或電感類限流元件，在擋位切換時電流連續(xù)且無沖擊，無過電壓或電壓跌落現(xiàn)象，在相同的容量及調(diào)壓精度下，比現(xiàn)有技術(shù)所使用的大功率晶閘管的數(shù)量減少一半，不再需要使用大功率限流電阻或電抗器。在MCT801智能模塊的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能、高可靠的無觸點電磁調(diào)壓和穩(wěn)壓功能，可以保證灌溉水泵電機端電壓的穩(wěn)定，從而有利于延長水泵電機的工作壽命，提高其工作效率，同時對農(nóng)村電網(wǎng)的有載調(diào)壓技術(shù)研究具有促進作用。

[1]楊衛(wèi)紅,李靜如．新農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)中需要重視的幾個問題[J]．電網(wǎng)技術(shù),2006,(30)8:302-304.

[2]余貽鑫, 王成山．電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的理論與方法[M]．北京: 科學出版社,1999.

[3]周雙喜,朱凌志,郭錫玖，等．電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性及其控制[M]．北京:中國電力出版社,2004.

[4]李曉明，琬晴，張水長，等．一種無弧快速有載調(diào)壓模型及仿真[J]．高電壓技術(shù)，2006，(2)：24-26.

[5]黃俊杰，李曉明．基于動態(tài)模型的無觸點有載調(diào)壓系統(tǒng)[J]．電力自動化設(shè)備, 2011，(8)：52-57.

[6]王光亮．有載調(diào)壓變壓器對電壓穩(wěn)定性影響綜述[J]．繼電器, 2008，(11)：79-84.

[7]蔡博，崔學深，陳曉．無觸點有載調(diào)壓過渡過程中無沖擊電流的研究[J]．電工電氣, 2010，(1)：1-4.

An Application Study of Technique for Voltage Regulation and Stabilization with Non-contact in Agriculture Irrigation

HU Kai, TU Jin-long

(Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

The paper analyses the technology of non-contact electromagnetism voltage regulation, poses the circumfluent calculating formula in the light of terminal voltage fluctuation and other issues of water pump for agricultural irrigation what are involved by non-contact electromagnetism voltage regulation. And introduces the principle of highly-performed and highly-reliable non-contact stabilized voltage power supply realized by intelligent module MCT801A, provides the waveforms of the simulation, voltage and current which are measured actually. The high power thyristors will be decreased to half in amount by the application of this technology. The current can be continuous without impact, over-electricity or electricity dropping phenomena when the gears are switched. It will provide a stable voltage to the pump?in agricultural irrigation and ensure the long-term,stable and efficient work.

irrigation;water pump; voltage regulation with non-contact; research

2015-06-16

2012年江蘇省交通運輸科技項目2012Y21-3

胡 凱(1979-)，男，江蘇南京人，講師，碩士，E-mail：298056935@qq.com。

TM564 ?

A ?

10.3969/j.issn.1671-234X.2015.03.007

1671-234X(2015)03-0032-04