无触点调压稳压技术在农业灌溉中的应用研究

胡 凯，涂金龙

(南京交通职业技术学院，南京 211188)

无触点调压稳压技术在农业灌溉中的应用研究

胡 凯，涂金龙

(南京交通职业技术学院，南京 211188)

针对农业灌溉中水泵电机端电压波动较大等问题，将无触点电磁调压技术应用其中，并对其进行了分析，给出了环流计算公式。同时对使用MCT801A智能模块实现的高性能、高可靠的无触点调压稳压电源的原理进行了介绍，给出了仿真波形及实测的电压电流波形。该技术的应用，使大功率晶闸管的数量减少一半，在挡位切换时能做到电流连续且无冲击，无过电压或电压跌落现象，在农业灌溉中为水泵电机提供稳定电压，保证其长期稳定高效的工作。

灌溉；水泵；无触点调压；研究

0 引 言

由于农村电网发展起步较晚，其供电距离普遍较长、供电线路线径较细，电压损耗较大。加之近几年农村生活质量的不断提高、家电下乡，农业电气产品越来越多的使用，造成用电负荷增长过快，最终导致电压偏低或电压波动频繁[1]。而用于农业灌溉的专用水泵长期运行在不稳定的电压环境中，无论对于水泵的使用寿命，还是对灌溉的效果都会造成一定的影响。

自晶闸管诞生以来，人们就开始在电磁调压器中用晶闸管来代替一些有触点元件，如继电器、接触器等，相对于有触点器件而言，这无疑提升了产品的某些性能。然而，经过大量的研究和实践表明，在充分发挥无触点电磁调压产品性能的过程中遇到了种种难题。特别是对于电感性负载，由于电压与电流之间存在相位差，加之电网的电磁环境恶劣，无法兼顾到产品的高性能与高可靠性[2-3]。因此，研制高性能、高可靠性的无触点电磁调压产品，属于目前的技术难题。

为了提高无触点电磁调压产品的可靠性，通过采用了增加晶闸管数量、使用过渡电阻或电抗器的技术措施，取得了明显的效果。但这种技术手段的问题是晶闸管的容量需要大大增加，并且使用晶闸管的数量增加了一倍，同时还需要配备一些大功率的电阻元件，从性能上看，在调压切换挡位时容易产生冲击电流和导致输出电压跌落。

灌溉水泵属于感性负载，受农村电网波动的影响，其端电压在运行过程中会频繁变化，因此，研制高性能高可靠的快速有载调压稳压装置，做到调压换档时电流无间断、无电流冲击、无过电压现象，保证电压输出稳定，将具有十分重要的意义。

1 电磁调压稳压原理分析

1.1 理想的无触点电磁调压电气主回路

理想的3挡无触点电磁调压电气主回路如图1所示。当输入电压Uin变化时，恰当选择V1～V3中的一个双向晶闸管导通，可使输出电压Uout稳定在一定的允许范围内。或者当需要输出电压按一定规律变化时，可通过恰当选择V1～V3中的一个双向晶闸管导通即可[4-5]。在理想情况下，各抽头之间的转换是在瞬间完成，没有冲击电流形成。

理想的无触点电磁调压很容易在纯电阻性质的负载中实现，只需要使用电压过零型的固态继电器即可达到目的，控制技术也比较简单。

图1 理想的3挡无触点电磁调压产品电气主回路原理图

1.2 常规的无触点电磁调压电气主回路

常规的3挡无触点电磁调压电气主回路如图2所示，其工作原理是：当输入电压Uin变化时，恰当选择V1/V2～V5/V6三组中的一组或一个双向晶闸管导通，可使输出电压Uout稳定在一定的允许范围内。

当需要改变变压器抽头来切换挡位时(如从1挡切换到2挡)，首先触发下一组中串联有限流电阻的双向晶闸管(如V3)导通，经过一段时间后，待当前挡位的2只双向晶闸管(V1和V2)均截止后，再延时触发下一组中不含串联电阻的双向晶闸管(V4)导通，V4导通后，可停止给串联有电阻的双向晶闸管V3触发。

这种技术方案对负载性质没有限制，控制也比较方便，这是它的优点，其缺点是在调压切换挡位时容易产生冲击电流和导致输出电压跌落，不适合作为高性能的调压产品。

1.3 简化的等效电路及其环流计算

简化的2挡无触点电磁调压电气主回路的等效电路如图3所示。

用受控源U1来代替变压器调压绕组的电压，当忽略绕组电阻及漏电抗时，有U1=kUi，其中k=N1/N，N1、N分别为调压绕组的匝数和变压器绕组的全部匝数，显然有0

图2 常规的3挡无触点电磁调压电气主回路

图3 简化的2挡无触点电磁调压电气主回路的等效电路图

设Ui=Umsin(ωt+θ)，则U1=kUmsin(ωt+θ)，在S2、S3闭合的挡位切换过渡过程中，由U1在Rs2、Ls2、S2、R1、S3、U1构成的回路中的环流为ih，通常这一环流远大于负载电流，当忽略负载电流时，列回路方程如下：

(1)

解此常系数线性微分方程得：

(2)

式中：

R=R1+Rs2

α=arctan(ωLs2/R)

(3)

通常调压绕组的匝数较少，因此Rs2、Ls2很小。切换挡位时变压器副边绕组间必然存在环流ih，这种冲击电流必然导致输出电压有不正常的跌落，如果供电线路较长，还会对周边的用电器造成影响，当连续快速地切换挡位时，就会导致双向晶闸管及其串联的电阻或者变压器烧坏[6-7]。从公式(3)及等效电路图中可以看出，电路中使用的电阻R1的阻值越小引起的环流就越大。当R1为0时，巨大的环流很容易导致开关器件瞬间烧坏，这相当于图1中的挡位直接切换，因而其可靠性很差。要解决这个问题，就需要对电压电流等参数进行准确地检测，准确地触发每个双向晶闸管，才能做到高性能与高可靠的有机统一。

1.4 用MCT801A控制的无触点稳压电源

图4 MCT801A控制的无触点稳压电源电气主电路原理图

用MCT801A专用智能模块控制的MWY2型无触点稳压电源电气主回路如图4所示。变压器T1原边有5个绕组，用6个端子引出，通过组合，输出电压可调节的挡位数为15。MCT801A将输出电压的理论值与检测到的输出电压实际值进行比较，确定双向晶闸管S1～S8中的导通与闭合状态，在电流零点将控制信号输出到S1～S8中，以选择接入变压器T1的工作匝数，从而将输出电压稳定。

2 电磁调压工作的仿真波形与实测波形

2.1 无触点调压时的仿真波形

图5是当输入电压固定时采用15挡顺序调节输出电压的计算机仿真波形，图6是2挡大幅度调节输出电压的计算机仿真波形，红色波形1为电压波形，黑色波形2为电流波形，负载为电抗器。

图5 15挡调压仿真波形

图6 2挡大幅度调压仿真波形

2.2 无触点调压时的实测波形

图7是用Tektronix TDS2002数字示波器以不同的扫描速率下使用自动快速测试程序在电感负载下快速切换挡位时的电压电流波形，示波器工作在自动触发方式，黄色波形1是输出电压波形，蓝色波形2是输出电流波形，有4个调压挡位。

图7 电感负载下快速切换挡位时的电压电流波形

3 结 论

无触点电磁调压技术经过多年的研究，在挡位切换的关键技术上已经取得了突破性进展，目前已经研制的产品在多种负载包括空载、电阻负载、电感负载以及路灯等，经过了较长时间的严酷测试，累计换挡次数超过了200,000,000次。其相关产品也在道路照明中投入使用，在照明节能、提高灯具的寿命、减少灯具的维护工作量等方面起到了积极的作用。

本文将无触点有载调压稳压技术引入到农业灌溉活动当中，该技术在电气主回路中不需要串联电阻或电感类限流元件，在挡位切换时电流连续且无冲击，无过电压或电压跌落现象，在相同的容量及调压精度下，比现有技术所使用的大功率晶闸管的数量减少一半，不再需要使用大功率限流电阻或电抗器。在MCT801智能模块的控制下，能够实现高性能、高可靠的无触点电磁调压和稳压功能，可以保证灌溉水泵电机端电压的稳定，从而有利于延长水泵电机的工作寿命，提高其工作效率，同时对农村电网的有载调压技术研究具有促进作用。

[1]杨卫红,李静如．新农村电网建设中需要重视的几个问题[J]．电网技术,2006,(30)8:302-304.

[2]余贻鑫, 王成山．电力系统稳定性的理论与方法[M]．北京: 科学出版社,1999.

[3]周双喜,朱凌志,郭锡玖，等．电力系统电压稳定性及其控制[M]．北京:中国电力出版社,2004.

[4]李晓明，琬晴，张水长，等．一种无弧快速有载调压模型及仿真[J]．高电压技术，2006，(2)：24-26.

[5]黄俊杰，李晓明．基于动态模型的无触点有载调压系统[J]．电力自动化设备, 2011，(8)：52-57.

[6]王光亮．有载调压变压器对电压稳定性影响综述[J]．继电器, 2008，(11)：79-84.

[7]蔡博，崔学深，陈晓．无触点有载调压过渡过程中无冲击电流的研究[J]．电工电气, 2010，(1)：1-4.

An Application Study of Technique for Voltage Regulation and Stabilization with Non-contact in Agriculture Irrigation

HU Kai, TU Jin-long

(Nanjing Communications Institute of Technology, Nanjing 211188, China)

The paper analyses the technology of non-contact electromagnetism voltage regulation, poses the circumfluent calculating formula in the light of terminal voltage fluctuation and other issues of water pump for agricultural irrigation what are involved by non-contact electromagnetism voltage regulation. And introduces the principle of highly-performed and highly-reliable non-contact stabilized voltage power supply realized by intelligent module MCT801A, provides the waveforms of the simulation, voltage and current which are measured actually. The high power thyristors will be decreased to half in amount by the application of this technology. The current can be continuous without impact, over-electricity or electricity dropping phenomena when the gears are switched. It will provide a stable voltage to the pump?in agricultural irrigation and ensure the long-term,stable and efficient work.

irrigation;water pump; voltage regulation with non-contact; research

2015-06-16

2012年江苏省交通运输科技项目2012Y21-3

胡 凯(1979-)，男，江苏南京人，讲师，硕士，E-mail：298056935@qq.com。

TM564 ?

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10.3969/j.issn.1671-234X.2015.03.007

1671-234X(2015)03-0032-04