无触点补偿式交流稳压器的简单研究

高瑜 刘斯禹 郭天飞

摘 要：近年来，交流稳压器产业发展迅速，技术发展势头迅猛。针对目前机械触点式的交流稳压器寿命短、损耗大、故障率高、响应慢等特点，该文提出一种新型无触点稳压器，其基本电路主要由并联绕组、串联绕组和晶闸管组成。该交流稳压器调压范围宽，响应较快，准确度较高，可以满足一般场合的稳压要求。该文简单介绍了交流稳压器的研究背景，主要分析了串联补偿式稳压器的设计。

关键词：无触点 补偿式 稳压器

中图分类号：TM44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）07（b）-0020-02

1 研究背景

随着我国国民经济的飞速发展，社会对电能质量提出了更高的要求。在电网公司进行负荷调度以维持电网稳定的同时，许多用户在负荷端自行配置稳压装置以维持自身电压稳定。其中，交流稳压器已成为许多机电设备不可或缺的供电装置。

现在，市场上的大功率交流稳压器以机械刷式的为主，存在寿命短，维护频繁复杂、易引起电磁干扰、响应速度慢、大电流时易产生火花等缺点。以半导体器件为基础的电力稳压器在响应速度、控制性能、效率、体积、重量等方面显现出优越性。因此，大功率电力稳压器向着采用电力电子技术的方向发展。

2 交流稳压器总体设计

2.1 电压串联补偿原理

由图1可知：Uout=Uin+△U，其中Uin 为电网侧输入电压，△U为补偿电压，Uout 为稳压器输出电压。当Uin 低于Us 时（为稳压器的设定电压），△U为正补偿；当Uin等于Us 时，调压装置不动作，△U为0补偿。当Uin 高于Us 时，△U为负补偿。

当负荷端电压在稳压器的调节范围内波动时，稳压器就可以通过智能调压补偿装置使电压维持在正常的设定电压。稳压器[1]只需补偿电压偏差电压△U，而无需承担负荷的全部电压，从而大大减小了稳压器单位额定容量所需的铁磁材料，也减小了开关器件的实际承载电压，因此，采用电压串联补偿技术研制的稳压器可以做到大容量输出。

2.2 双向晶闸管触发与门极控制方式介绍

稳压器使用的是双向晶闸管，其外形与普通晶闸管类似，但它的内部是由一种5层结构（NPNPN）构成，并引出3个端线。

双向晶闸管只有一个控制极，通过这个它就能正常控制双向晶闸管工作，所以它的触发电路比较简单。这样能给设计和制造带来很多的方便，也能使电路的可靠性得到提升，并且使设备的体积缩小，重量减轻，这是双向晶闸管的一个突出优点。

双向晶闸管有两种常用的控制方式：移相触发和过零触发。后者适用于无触点开关电路及调功电路，是在电压或电流零点附近触发晶闸管通断，在设定的时间间隔内，改变晶闸管导通的周波数来控制电压或功率。该稳压器采用的即是过零触发方式。

如何正确选择及使用晶闸管，最重要的是对其阳极和门级的伏安特性和主要参数进行了解。该文所选择的晶闸管的额定电压约为元件所能承受的最大瞬时电压的2～3倍。此外，选晶闸管额定电流参数的有效值应该大于它在电路中可能出现的最大电流的有效值，且一般选择1.5～2倍的安全裕量。双向晶闸管的伏安特性为正反向对称，其主要参数为断态重复峰值电压UDRM 和额定通态电流IT。双向晶闸管的额定通态电流是有效值，这是因为它的正方向都能触发导通。双向晶闸管额定电流（即均方根值电流）与普通晶闸管额定电流（即平均值电流）之间的换算公式为：

IT（AV）=IT（RMS）=0.45I（RMS）

2.3 主电路拓扑结构分析

稳压器的主电路拓扑结构如图1所示[3]：主电路由带分接头的自耦调压变压器T1 和串联补偿变压器T2 组成。

S0～S6 为通过智能控制系统控制的晶闸管模块。S2～S6 通过改变自耦变压器的变比而控制自耦变压器的二次电压U0， S0～S1 通过改变补偿变压器T2 的一次绕组的接入点而控制补偿电压的正负。与补偿变压器T2一次绕组并联的RC电路是为了抑制在换挡瞬间因补偿变压器 T2 一次绕组暂时开路而引起的冲击电流。由于稳态运行时，RC电路只消耗极小的电流，因此在下面的电路拓扑结构分析过程中忽略不计RC电路的影响。为了便于分析，该文假设补偿变压器T2 的一次侧电压U1的参考正极为右端。则根据主电路的电磁关系可得：

由式（8）得，当K1分别为1、4/3、4/2、4/1、4/0、时，补偿电压U2的值占Uin的比重分别为-8%、-6%、-4%、-2%、0。

若设定的额定输出电压Uout为220 V。当电压为最大正补偿8%时，输入电压Uin最低可以为204 V；当电压为最大负补偿-8%时，输入电压Uin最高可以为239 V。因此，该拓扑结构适用于宽范围、大容量的稳压器。

若输出额定电压Uout为40 V，为了更好的演示实验结果，取K2为6.25。当接通时，补偿电压U2的值占Uin的比重分别为0，4%、8%、12%、16%；当接通时，补偿电压U2的值占Uin的比重分别为-16%、-12%、-8%、-4%、0。因此，交流电压输入范围为34～48 V。

2.4 主电路浪涌电流分析及抑制

浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。在换挡瞬间，补偿变压器T2 一次绕组暂时开路引起浪涌电流，该电流易导致电路元件损害、设备误动、缩短使用寿命等危害。为此，与补偿变压器T2 一次绕组并联的RC电路是为了抑制浪涌电流的产生，从而保护主电路各设备的正常运行。

参考文献

[1] 李海林，刘小虎.一种无触点补偿式交流稳压器的设计[J].船电技术，2010（4）：34-36.

[2] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 孙海涛，仝永强.自动补偿式交流稳压电源的研制[J].变压器，2005，42（2）：15-17.