磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置設(shè)計與研究

孫宏光 吳旭升 楊青

（1. 海軍工程大學電氣與信息工程學院， 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行供電，為了提高船上大功率空調(diào)機、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，難以滿足負載對電能質(zhì)量的要求。

本文設(shè)計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)工作點及磁特性，達到電壓穩(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)定裝置是一個利用反饋控制電路來控制磁飽和式變壓器上兩個晶閘管，通過調(diào)節(jié)晶閘管導通角的大小實現(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通角，從而實現(xiàn)對電源電壓的補償，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個鐵心中，中間2個鐵心繞有6個繞組，其中鐵心上半部分匝數(shù)同為N的4個繞組構(gòu)成變壓器的原邊，下半部分匝數(shù)同為N的2個繞組構(gòu)成副邊。原邊的 4個繞組均設(shè)有抽頭，抽頭比為a=N2/N，每個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，剩下的兩個為工作繞組，則續(xù)流二極管及兩個晶閘管的控制構(gòu)成了整個變壓器的控制部分。通過PI反饋調(diào)節(jié)晶閘管導通角來控制變壓器的直流磁通的大小，從而實現(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)學模型

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

（1） VT1導通，VD截止，VT2截止；（2） VT1 截止，VD導通，VT2截止；（3） VT1 截止，VD截止，VT2導通；

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鐵心在一個周期內(nèi)增磁—去磁交替變化，從而實現(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VT1導通，VD截止，VT2截止時，回路方程為：

當VT1 截止，VD導通，VT2截止時，回路方程為：

當VT1 截止，VD截止，VT2導通時，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)強度；B2為鐵心2的磁感應(yīng)強度。

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)學模型[8]。

4 仿真研究

為了驗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)時間為0.06 s～0.12 s的情況下，穩(wěn)壓裝置的補償電壓波形如圖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 岸電電壓驟降時穩(wěn)壓裝置補償電壓波形圖

圖4 岸電電壓驟升時穩(wěn)壓裝置補償電壓波形圖

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]

當岸電中含有諧波時，可以把諧波當作偏離參考電壓進行補償。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 岸電含有諧波時穩(wěn)壓裝置補償電壓波形圖

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)壓裝置對岸電進行補償后諧波含量明顯減少，這說明穩(wěn)壓裝置的補償是有效的。

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行有效的補償；

（2） 對岸電含有的諧波，有較好的抑制作用。

[1] 趙俊峰, 王秀蓮. 基于ANSYS的磁飽和式可控電抗器鐵心磁場的分析[J]. 沈陽理工大學學報，26（2）：58-61.

[2] 張紅. 自飽和電抗器理論分析和計算[J]. 江西電力，18（3）：13-23.

[3] 陳柏超. 新型可控飽和電抗器理論及應(yīng)用[M].武漢：武漢水利電力大學出版社，1999，武漢.

[4] 杜姍姍, 陳柏超, 余夢澤, 刑海瀛. 磁閥式可控電抗器在高壓電機軟起動中的應(yīng)用[J]. 電機技術(shù)，2006.

[5] 李維波, 毛承雄, 陸繼明. 磁飽和電抗器輸出特性建模與仿真研究[J]. 哈爾濱工業(yè)大學學報，38（1）：107-110.

[6] 陳湘, 童澤, 歐陽廣. 磁飽和式可控電抗器的工作特性及其仿真研究[J]. 高壓電器，45（2）：53-56.

[7] 尹忠東, 程行斌, 刺虹. 可控電抗器在電網(wǎng)電容電流自動補償中的應(yīng)用. 高電壓技術(shù)，1996，22（3）：85-87.

[8] 田銘興, 勵慶孚, 王曙鴻. 磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數(shù)學模型[J]. 電工技術(shù)學報，2002，17（4）：18-21.

[9] Lee S J，Kim H，Sul S K. A Novel Control Method for the Compensation Voltages in Dynamic Voltage Restorers[C]. Proceedings of IEEE Conference on Applied Electronics and Exposition，Anaheim，2004，1：614-620.

[10] Sastry V V，Prasad M R，Sivakumar TV. Optimal Soft Starting of Voltage-controlled-fed IM Drive Based on Voltage Across Thyristor [J]. IEEE tans on Power Electronics. 1997.12.

[11] 陳柏超. 單相可控電抗器的一種諧波抑制原理及實現(xiàn)[M]. 中國電機工程學報. 2002.3.