一種無觸點補償式交流穩壓器的設計

李海林 劉小虎

（海軍工程大學管理工程系, 武漢 430033）

當船舶停靠碼頭時，經常要采用岸電供電。尤其是當船舶長期停靠碼頭時，船上除去生活用電外，還要進行日常的訓練以及設備保養工作，這對供電品質都有一定的要求[1]。由于我國的交流電網建設和發展不平衡，用電設備的配置也不合理使供電質量受到嚴重的影響，經常出現過壓、欠壓等現象[2]。當供電電壓波動范圍太大時，船舶上的電氣設備的運行和性能均會受到影響。因此在船舶上采用岸電穩壓系統非常有必要。

隨著電力電子器件和控制技術的發展，采用電子開關控制變壓器繞組組合來實現補償穩壓的新型交流穩壓器，將逐步取代機電式補償穩壓電源中笨重而反應慢的電機、齒輪傳動機構及炭刷機構，在動態響應速度及維護方面有明顯的改善[3]。目前，關于無觸點交流穩壓器的方案比較多，其中大多數采用雙向可控硅來作為執行元件。采用雙向可控硅具有結構簡單、成本較低的優點，但是，雙向可控硅一般是半控型器件，其關斷操作不易控制；尤其對交流穩壓系統而言，當負載為電感性時，電壓過零點處電流還不為零，在這種情況下，上臂的可控硅沒有關斷，而下臂的可控硅導通，由此直接導致相間短路[4-5]。因此，這里提出一種采用全控型器件IGBT作為開關器件的方案。并給出了系統的硬件、軟件實現。

1 補償式交流穩壓原理

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

圖1 補償式交流穩壓器原理圖

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

圖2 交流穩壓器電壓補償示意圖

3 主電路結構及工作過程

一相的主電路如圖3所示。圖中，TR1、TR2、TR3是 3個獨立的補償變壓器，其二次繞組上的補償電壓設計為4.4 V、8.8 V、30.8 V等。當順極性（或反極性）疊加全部投入時，可以獲得最大正負補償電壓為44 V，滿足最大20%的最大補償范圍，而補償精度可以達到2%。

圖3 交流穩壓器主電路

圖3中 S1～S8是開關器件,它與補償變壓器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個全橋電路。工作過程為：當輸入電壓Ui高于額定值時，要求補償變壓器TR1、TR2、TR3中的 1個、2個或 3個同時工作，產生反極性的電動勢來抵消Ui升高的那部分電壓。例如：經判斷僅需TR1投入時(設Ui極性為U正N負)，可觸發S1和S8導通，電流通路為：U→TR1(上繞組)→S1→TR1(下繞組)→S8→N。當 U、N反極性時，沿上述通路反向流動。當輸入電壓Ui低于額定值時，需要TR1產生順極性電動勢補足Ui所缺的那部分電壓，可使S2和S7導通。如果Ui升高(或降低)較多，需要TR1和TR2同時投入，在UI高于額定值時，可使 S1、S3和 S8導通；在 Ui低于額定值時，可使S2、S4和S7導通。如果需要TR1、TR2和TR3都投入，在Ui高于額定值時，使S1、S3、S5和 S8導通；在 Ui低于額定值時，使 S2、S4、S6和 S7導通。

圖3中的電子開關器件一般是雙向可控硅，這里采用雙向可控硅具有結構簡單，價格低廉等優點。但是雙向可控硅是半控型器件，在帶感性負載時容易出現關斷失敗，導致相間短路；這里采用IGBT替代雙向可控硅，作為執行元件。IGBT是標準的電壓控制方式的全控型器件，在電力電子領域得到了廣泛的應用。但是把IGBT作為電子開關來使用，不能簡單的反并聯來處理，因為IGBT模塊一般都集成了反并聯二極管模塊，如果直接反并聯，則完全起不到開關的作用。IGBT作為電子開關的處理如圖4所示。

圖4 IGBT電子開關

當然，使用IGBT時，為了保證器件可靠的開通或者關斷，可以采用專用的驅動模塊，例如富士公司的EXB841模塊。同時還要采用一定的吸收電路，來抑制過電壓或者過電流，減小器件的開關損耗，達到保護IGBT的目的。

4 控制電路設計

控制電路如圖5所示。它由89C51單片機系統、外擴檢測、驅動、保護等接口電路構成。

圖5 控制電路

控制電路中，反饋信號要取輸出交流電的有效值。這里采用了簡化處理的方案，即采用取樣變壓器將輸出電壓經過降壓和隔離處理，然后經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轉換成數字信號后輸出到單片機。另一方面，IGBT的控制信號一定要參考交流的電壓過零點，這樣可以保證經過補償后的交流電畸變小，諧波含量少。

5 控制軟件設計

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

在軟件設計過程中，必須考慮如下有關技術問題：

1) 為減少開機瞬間大電流對設備的沖擊及操作過電壓的影響，在軟件中設計了軟啟動程序，開機后先進行延時檢測直到電壓和開關處于穩態條件時再向下運行。

2) 為了防止相間發生短路，同一相的兩個臂的開關器件的開關控制信號必須加入一定時區。軟件上的實現方法主要是，在兩個控制字之間插入一定的延時，一般幾微秒就可以了。

6 結束語

按照上述搭建了一個三相30 kVA的無觸點交流穩壓器試驗平臺，補償變壓器為 6.5 kVA。選用60 A/1200 V模塊IGBT。圖7(a)示出同相補償波形，此時輸入電壓Uin=200 V，正相補償電壓?u=+19V；圖7(b)示出反相補償波形，此時Uin=239 V，反相補償電壓?u = -20 V。無論正向補償還是反向補償，輸出電壓U0都穩定在219 V。

圖7 補償電壓波形

經現場實驗，該電源的有關技術指標已經達到穩壓范圍220 V(1±20%)；穩壓精度2%；動態響應時間0.01～0.0 s；短時過載能力負載額定電流的 1.5倍；采用分相調節，具有三相輸出自動平衡功能；保護功能具有對主回路故障判斷報警功能，以及過壓、欠壓、過流和短路保護功能且能自動延時恢復。

[1]劉華毅, 陳將. 無觸點大功率補償式交流穩壓電源[J]. 電氣時代, 2005, (8)：116～117.

[2]閆志超, 項建華. 雙向晶閘管無觸點可逆開關保護系統研究[J]. 電力電子技術, 2006, 40(1)：115～116.

[3]江友華, 顧勝堅, 方勇. 無觸點交流穩壓器的特性研究及功率流分析[J]. 電力電子技術, 2007, 41（8）：7～9.

[4]馮剛, 馮新民, 王志勇. 補償式交流穩壓器設計[J].江蘇電器,2008,(10)：49～50.

[5]曹以龍, 張之揚. 電力系統中無觸點有載調壓裝置的研究與應用[J]. 電氣技術, 2008,(6)：36～39.