磁饱和式岸电电压自动稳定装置设计与研究

孙宏光 吴旭升 杨青

（1. 海军工程大学电气与信息工程学院， 武汉 430033; 2. 海军驻711所军事代表室, 上海 210001）

1 引言

舰船停靠码头后使用岸电对舰船进行供电，为了提高船上大功率空调机、照明设备等的使用寿命，为了保证船上的敏感设备和精密仪器等的安全运行和使用，各种岸电电压的净化和调节设备得到了广泛的研究和发展。但是目前占主导地位的是机电调节式自耦变压器和多抽头变压器的调压装置。它们不但调节速度低，而且谐波抑制能力差，难以满足负载对电能质量的要求。

本文设计了新型的基于磁饱和式变压器的岸电电压自动稳定装置。它借助于磁饱和原理，利用直流激磁作用改变铁心磁状态工作点及磁特性，达到电压稳定输出的效果[1,2]。

2 磁饱和式岸电电压自动稳定装置的基本工作原理

磁饱和式岸电电压自动稳定装置是一个利用反馈控制电路来控制磁饱和式变压器上两个晶闸管，通过调节晶闸管导通角的大小实现连续调节变压器输出电压的稳压装置[3]。

该自动稳压装置由磁饱和式变压器、隔离降压装置、全波整流、PI反馈控制系统等组成，其结构电路如图1所示[4]。

图1 磁饱和式电压自动稳定装置结构电路

由图1可以看出，磁饱和式变压器输出电压经隔离变压器降压和全波整流桥整流得到所需的采样信号，通过PI控制系统对采样信号进行调节后输出控制信号控制磁饱和式变压器上晶闸管的导通角，从而实现对电源电压的补偿，得到稳定的输出电压。

该稳压装置中磁饱和式变压器采用如图2所示的对称结构，保证变压器主磁路在任何情况下都是完全对称的，这样可以消除因磁路不对称造成的损耗增加、噪声增加等不良影响。该变压器的4个铁心中，中间2个铁心绕有6个绕组，其中铁心上半部分匝数同为N的4个绕组构成变压器的原边，下半部分匝数同为N的2个绕组构成副边。原边的 4个绕组均设有抽头，抽头比为a=N2/N，每个铁心的抽头间接有极性相反的晶闸管，中间交叉连接的两端接有一个续流二极管。设原边的两抽头间的绕组为控制绕组，剩下的两个为工作绕组，则续流二极管及两个晶闸管的控制构成了整个变压器的控制部分。通过PI反馈调节晶闸管导通角来控制变压器的直流磁通的大小，从而实现对控制变压器原边容量的调节。

图2 磁饱和式变压器结构图

3 磁饱和式岸电电压自动稳定装置的数学模型

根据晶闸管VT1、VT2和续流二极管VD的可能导通情况，可得出变压器的三种工作状态：

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

变压器按照状态（1）～（3）的次序轮流切换工作，在工作过程中，变压器原边绕组中将产生如图3所示方向不变的环流，该环流产生的直流磁通引起变压器中间两个铁心在一个周期内增磁—去磁交替变化，从而实现变压器原边容量的调节[5,6]。

图3 变压器原边工作电流示意图

根据晶闸管和续流二极管的开关情况，可以得到变压器在不同工况下的回路方程[7]：

当VT1导通，VD截止，VT2截止时，回路方程为：

当VT1 截止，VD导通，VT2截止时，回路方程为：

当VT1 截止，VD截止，VT2导通时，回路方程为：

其中：S为铁心截面积；R为每匝线圈的电阻；B1为铁心1的磁感应强度；B2为铁心2的磁感应强度。

式（1）、式（2）、式（3）就是磁饱和式岸电电压自动稳定装置的数学模型[8]。

4 仿真研究

为了验证上述理论分析的正确性，采用Matlab中的Simulink对磁饱和式岸电电压自动稳定装置的两种工况进行了仿真分析。

（1）岸电电压的骤降或骤升[9,10]

在岸电电压的骤降或骤升均为35%，即电压幅值骤降到143 V或骤升到297 V，持续时间为0.06 s～0.12 s的情况下，稳压装置的补偿电压波形如图3和图4所示；经稳压装置稳压后的变压器输出电压波形如图5所示。

图3 岸电电压骤降时稳压装置补偿电压波形图

图4 岸电电压骤升时稳压装置补偿电压波形图

图5 岸电电压骤降或骤升经稳压装置稳压后的电压输出波形图

由图5可以看出，岸电电压的骤降或骤升经稳压装置补偿后，变压器输出的电压波形与理论分析得到的结果是一致的。

（2）岸电中含有谐波[11]

当岸电中含有谐波时，可以把谐波当作偏离参考电压进行补偿。仿真中，在0.06 s～0.12 s，加入了基波的35%即幅值为77 V，相位为45度的谐波。得到稳压装置补偿电压的仿真图如图 6所示；经稳压装置稳压后的变压器输出电压波形如图7所示。

图6 岸电含有谐波时稳压装置补偿电压波形图

图7 岸电含有谐波经稳压装置稳压后的电压输出波形图

由图7可以看出，经过稳压装置对岸电进行补偿后谐波含量明显减少，这说明稳压装置的补偿是有效的。

4 结束语

本文分析了基于磁饱和式变压器的岸电电压自动稳定装置，理论分析和仿真结果表明：

（1） 该装置对岸电电压在一定范围内骤降或骤升的变化可以进行有效的补偿；

（2） 对岸电含有的谐波，有较好的抑制作用。

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