無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器的簡(jiǎn)單研究

高瑜 劉斯禹 郭天飛

摘 要：近年來(lái)，交流穩(wěn)壓器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。針對(duì)目前機(jī)械觸點(diǎn)式的交流穩(wěn)壓器壽命短、損耗大、故障率高、響應(yīng)慢等特點(diǎn)，該文提出一種新型無(wú)觸點(diǎn)穩(wěn)壓器，其基本電路主要由并聯(lián)繞組、串聯(lián)繞組和晶閘管組成。該交流穩(wěn)壓器調(diào)壓范圍寬，響應(yīng)較快，準(zhǔn)確度較高，可以滿(mǎn)足一般場(chǎng)合的穩(wěn)壓要求。該文簡(jiǎn)單介紹了交流穩(wěn)壓器的研究背景，主要分析了串聯(lián)補(bǔ)償式穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)觸點(diǎn) 補(bǔ)償式 穩(wěn)壓器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）07（b）-0020-02

1 研究背景

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電能質(zhì)量提出了更高的要求。在電網(wǎng)公司進(jìn)行負(fù)荷調(diào)度以維持電網(wǎng)穩(wěn)定的同時(shí)，許多用戶(hù)在負(fù)荷端自行配置穩(wěn)壓裝置以維持自身電壓穩(wěn)定。其中，交流穩(wěn)壓器已成為許多機(jī)電設(shè)備不可或缺的供電裝置。

現(xiàn)在，市場(chǎng)上的大功率交流穩(wěn)壓器以機(jī)械刷式的為主，存在壽命短，維護(hù)頻繁復(fù)雜、易引起電磁干擾、響應(yīng)速度慢、大電流時(shí)易產(chǎn)生火花等缺點(diǎn)。以半導(dǎo)體器件為基礎(chǔ)的電力穩(wěn)壓器在響應(yīng)速度、控制性能、效率、體積、重量等方面顯現(xiàn)出優(yōu)越性。因此，大功率電力穩(wěn)壓器向著采用電力電子技術(shù)的方向發(fā)展。

2 交流穩(wěn)壓器總體設(shè)計(jì)

2.1 電壓串聯(lián)補(bǔ)償原理

由圖1可知：Uout=Uin+△U，其中Uin 為電網(wǎng)側(cè)輸入電壓，△U為補(bǔ)償電壓，Uout 為穩(wěn)壓器輸出電壓。當(dāng)Uin 低于Us 時(shí)（為穩(wěn)壓器的設(shè)定電壓），△U為正補(bǔ)償；當(dāng)Uin等于Us 時(shí)，調(diào)壓裝置不動(dòng)作，△U為0補(bǔ)償。當(dāng)Uin 高于Us 時(shí)，△U為負(fù)補(bǔ)償。

當(dāng)負(fù)荷端電壓在穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，穩(wěn)壓器就可以通過(guò)智能調(diào)壓補(bǔ)償裝置使電壓維持在正常的設(shè)定電壓。穩(wěn)壓器[1]只需補(bǔ)償電壓偏差電壓△U，而無(wú)需承擔(dān)負(fù)荷的全部電壓，從而大大減小了穩(wěn)壓器單位額定容量所需的鐵磁材料，也減小了開(kāi)關(guān)器件的實(shí)際承載電壓，因此，采用電壓串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)研制的穩(wěn)壓器可以做到大容量輸出。

2.2 雙向晶閘管觸發(fā)與門(mén)極控制方式介紹

穩(wěn)壓器使用的是雙向晶閘管，其外形與普通晶閘管類(lèi)似，但它的內(nèi)部是由一種5層結(jié)構(gòu)（NPNPN）構(gòu)成，并引出3個(gè)端線(xiàn)。

雙向晶閘管只有一個(gè)控制極，通過(guò)這個(gè)它就能正常控制雙向晶閘管工作，所以它的觸發(fā)電路比較簡(jiǎn)單。這樣能給設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)很多的方便，也能使電路的可靠性得到提升，并且使設(shè)備的體積縮小，重量減輕，這是雙向晶閘管的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。

雙向晶閘管有兩種常用的控制方式：移相觸發(fā)和過(guò)零觸發(fā)。后者適用于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路及調(diào)功電路，是在電壓或電流零點(diǎn)附近觸發(fā)晶閘管通斷，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，改變晶閘管導(dǎo)通的周波數(shù)來(lái)控制電壓或功率。該穩(wěn)壓器采用的即是過(guò)零觸發(fā)方式。

如何正確選擇及使用晶閘管，最重要的是對(duì)其陽(yáng)極和門(mén)級(jí)的伏安特性和主要參數(shù)進(jìn)行了解。該文所選擇的晶閘管的額定電壓約為元件所能承受的最大瞬時(shí)電壓的2～3倍。此外，選晶閘管額定電流參數(shù)的有效值應(yīng)該大于它在電路中可能出現(xiàn)的最大電流的有效值，且一般選擇1.5～2倍的安全裕量。雙向晶閘管的伏安特性為正反向?qū)ΨQ(chēng)，其主要參數(shù)為斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM 和額定通態(tài)電流IT。雙向晶閘管的額定通態(tài)電流是有效值，這是因?yàn)樗恼较蚨寄苡|發(fā)導(dǎo)通。雙向晶閘管額定電流（即均方根值電流）與普通晶閘管額定電流（即平均值電流）之間的換算公式為：

IT（AV）=IT（RMS）=0.45I（RMS）

2.3 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

穩(wěn)壓器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[3]：主電路由帶分接頭的自耦調(diào)壓變壓器T1 和串聯(lián)補(bǔ)償變壓器T2 組成。

S0～S6 為通過(guò)智能控制系統(tǒng)控制的晶閘管模塊。S2～S6 通過(guò)改變自耦變壓器的變比而控制自耦變壓器的二次電壓U0， S0～S1 通過(guò)改變補(bǔ)償變壓器T2 的一次繞組的接入點(diǎn)而控制補(bǔ)償電壓的正負(fù)。與補(bǔ)償變壓器T2一次繞組并聯(lián)的RC電路是為了抑制在換擋瞬間因補(bǔ)償變壓器 T2 一次繞組暫時(shí)開(kāi)路而引起的沖擊電流。由于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，RC電路只消耗極小的電流，因此在下面的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析過(guò)程中忽略不計(jì)RC電路的影響。為了便于分析，該文假設(shè)補(bǔ)償變壓器T2 的一次側(cè)電壓U1的參考正極為右端。則根據(jù)主電路的電磁關(guān)系可得：

由式（8）得，當(dāng)K1分別為1、4/3、4/2、4/1、4/0、時(shí)，補(bǔ)償電壓U2的值占Uin的比重分別為-8%、-6%、-4%、-2%、0。

若設(shè)定的額定輸出電壓Uout為220 V。當(dāng)電壓為最大正補(bǔ)償8%時(shí)，輸入電壓Uin最低可以為204 V；當(dāng)電壓為最大負(fù)補(bǔ)償-8%時(shí)，輸入電壓Uin最高可以為239 V。因此，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于寬范圍、大容量的穩(wěn)壓器。

若輸出額定電壓Uout為40 V，為了更好的演示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取K2為6.25。當(dāng)接通時(shí)，補(bǔ)償電壓U2的值占Uin的比重分別為0，4%、8%、12%、16%；當(dāng)接通時(shí)，補(bǔ)償電壓U2的值占Uin的比重分別為-16%、-12%、-8%、-4%、0。因此，交流電壓輸入范圍為34～48 V。

2.4 主電路浪涌電流分析及抑制

浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。由于輸入濾波電容迅速充電，所以該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流。在換擋瞬間，補(bǔ)償變壓器T2 一次繞組暫時(shí)開(kāi)路引起浪涌電流，該電流易導(dǎo)致電路元件損害、設(shè)備誤動(dòng)、縮短使用壽命等危害。為此，與補(bǔ)償變壓器T2 一次繞組并聯(lián)的RC電路是為了抑制浪涌電流的產(chǎn)生，從而保護(hù)主電路各設(shè)備的正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海林，劉小虎.一種無(wú)觸點(diǎn)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器的設(shè)計(jì)[J].船電技術(shù)，2010（4）：34-36.

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[3] 孫海濤，仝永強(qiáng).自動(dòng)補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓電源的研制[J].變壓器，2005，42（2）：15-17.