一种无触点补偿式交流稳压器的设计

2010-07-03李海林刘小虎

船电技术 2010年4期

李海林刘小虎

（海军工程大学管理工程系, 武汉 430033）

当船舶停靠码头时，经常要采用岸电供电。尤其是当船舶长期停靠码头时，船上除去生活用电外，还要进行日常的训练以及设备保养工作，这对供电品质都有一定的要求[1]。由于我国的交流电网建设和发展不平衡，用电设备的配置也不合理使供电质量受到严重的影响，经常出现过压、欠压等现象[2]。当供电电压波动范围太大时，船舶上的电气设备的运行和性能均会受到影响。因此在船舶上采用岸电稳压系统非常有必要。

随着电力电子器件和控制技术的发展，采用电子开关控制变压器绕组组合来实现补偿稳压的新型交流稳压器，将逐步取代机电式补偿稳压电源中笨重而反应慢的电机、齿轮传动机构及炭刷机构，在动态响应速度及维护方面有明显的改善[3]。目前，关于无触点交流稳压器的方案比较多，其中大多数采用双向可控硅来作为执行元件。采用双向可控硅具有结构简单、成本较低的优点，但是，双向可控硅一般是半控型器件，其关断操作不易控制；尤其对交流稳压系统而言，当负载为电感性时，电压过零点处电流还不为零，在这种情况下，上臂的可控硅没有关断，而下臂的可控硅导通，由此直接导致相间短路[4-5]。因此，这里提出一种采用全控型器件IGBT作为开关器件的方案。并给出了系统的硬件、软件实现。

1 补偿式交流稳压原理

图1示出补偿式交流稳压器原理。由图可知，输出电压U0与输入电压Ui及补偿电压∆u的关系如下：

图1 补偿式交流稳压器原理图

图2示出交流稳压器的电压补偿示意图。当输入电压Ui降落时，通过补偿变压器补偿+∆u，从而维持输出电压 U0不变，当输入电压Ui升高时，通过补偿变压器反相补偿-∆u，依然维持输出U0不变。由图2可见，该稳压器只补偿输入电压升高或跌落部分，而无需承担负荷所需的全部电压，因此稳压器承担的最大功率仅为负载功率的20%（假设电压补偿范围为20%）。

图2 交流稳压器电压补偿示意图

3 主电路结构及工作过程

一相的主电路如图3所示。图中，TR1、TR2、TR3是 3个独立的补偿变压器，其二次绕组上的补偿电压设计为4.4 V、8.8 V、30.8 V等。当顺极性（或反极性）叠加全部投入时，可以获得最大正负补偿电压为44 V，满足最大20%的最大补偿范围，而补偿精度可以达到2%。

图3 交流稳压器主电路

图3中 S1～S8是开关器件,它与补偿变压器TR1、TR2、TR3组成“多全桥电路”形式，图中S7和S8为公用桥臂，它分别与S1、S2、S3和S4、S5、S6组成3个全桥电路。工作过程为：当输入电压Ui高于额定值时，要求补偿变压器TR1、TR2、TR3中的 1个、2个或 3个同时工作，产生反极性的电动势来抵消Ui升高的那部分电压。例如：经判断仅需TR1投入时(设Ui极性为U正N负)，可触发S1和S8导通，电流通路为：U→TR1(上绕组)→S1→TR1(下绕组)→S8→N。当 U、N反极性时，沿上述通路反向流动。当输入电压Ui低于额定值时，需要TR1产生顺极性电动势补足Ui所缺的那部分电压，可使S2和S7导通。如果Ui升高(或降低)较多，需要TR1和TR2同时投入，在UI高于额定值时，可使 S1、S3和 S8导通；在 Ui低于额定值时，可使S2、S4和S7导通。如果需要TR1、TR2和TR3都投入，在Ui高于额定值时，使S1、S3、S5和 S8导通；在 Ui低于额定值时，使 S2、S4、S6和 S7导通。

图3中的电子开关器件一般是双向可控硅，这里采用双向可控硅具有结构简单，价格低廉等优点。但是双向可控硅是半控型器件，在带感性负载时容易出现关断失败，导致相间短路；这里采用IGBT替代双向可控硅，作为执行元件。IGBT是标准的电压控制方式的全控型器件，在电力电子领域得到了广泛的应用。但是把IGBT作为电子开关来使用，不能简单的反并联来处理，因为IGBT模块一般都集成了反并联二极管模块，如果直接反并联，则完全起不到开关的作用。IGBT作为电子开关的处理如图4所示。

图4 IGBT电子开关

当然，使用IGBT时，为了保证器件可靠的开通或者关断，可以采用专用的驱动模块，例如富士公司的EXB841模块。同时还要采用一定的吸收电路，来抑制过电压或者过电流，减小器件的开关损耗，达到保护IGBT的目的。

4 控制电路设计

控制电路如图5所示。它由89C51单片机系统、外扩检测、驱动、保护等接口电路构成。

图5 控制电路

控制电路中，反馈信号要取输出交流电的有效值。这里采用了简化处理的方案，即采用取样变压器将输出电压经过降压和隔离处理，然后经过全波整流电路变成0～5 V的直流电压，最后通过采样芯片 ADC0809转换成数字信号后输出到单片机。另一方面，IGBT的控制信号一定要参考交流的电压过零点，这样可以保证经过补偿后的交流电畸变小，谐波含量少。

5 控制软件设计

该控制器的控制软件流程见图6所示。

图6 控制器控制软件流程

在软件设计过程中，必须考虑如下有关技术问题：

1) 为减少开机瞬间大电流对设备的冲击及操作过电压的影响，在软件中设计了软启动程序，开机后先进行延时检测直到电压和开关处于稳态条件时再向下运行。

2) 为了防止相间发生短路，同一相的两个臂的开关器件的开关控制信号必须加入一定时区。软件上的实现方法主要是，在两个控制字之间插入一定的延时，一般几微秒就可以了。

6 结束语

按照上述搭建了一个三相30 kVA的无触点交流稳压器试验平台，补偿变压器为 6.5 kVA。选用60 A/1200 V模块IGBT。图7(a)示出同相补偿波形，此时输入电压Uin=200 V，正相补偿电压∆u=+19V；图7(b)示出反相补偿波形，此时Uin=239 V，反相补偿电压∆u = -20 V。无论正向补偿还是反向补偿，输出电压U0都稳定在219 V。