（电机与电器专业论文）基于无触点开关的有载调压控制系统与方法研究.pdf

： - 1 i l ， e 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于无触点开关的有载调压控 制系统与方法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下 进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华 北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日菇五 旌一 铄 期 签 者 ， 仁 日 憎，0，霉“雩备，；，i。；摹鼍蔫叠蔓j重舅蓉曩1f毒”，。l一霉差墨，-静囊警，熏毒i卜产 l 毋- 华北电力大学硕士学位论文 摘要 目前国内外的电力系统中普遍采用传统机械型的有载调压方式进行调压，但 是此种调压方式存在燃弧、调压响应速度慢、机械故障率高等弊端，已不能适应 当今社会的发展。鉴于此本文利用d s p 作为控制器，结合晶闸管开关设计出一种 无触点有载调压装置，为了解决调压过程中冲击电流的问题，通过单相实验验证 了电流过零触发的控制策略，并推导出无触点有载调压的三相控制策略，且对无 触点有载调压的过渡过程进行了理论研究，最后通过仿真和不同负载条件下的三 相实验验证了此控制策略的正确性。 关键词：有载调压，无触点，晶闸管开关，冲击电流。 a b s t r a ct o l t c ( o n - l o a dt a pc h a n g e ) o ft r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t y l ei sc o m m o n l yu s e di n p o w e rs y s t e m sa l lo v e rt h ew o r l da tp r e s e n t h o w e v e r , t h a to l t cm e t h o di so f s o m e d e f e c t ss u c ha sa r c i n g ，s l o wr e g u l a t i o nr e s p o n s e ，h i g hp r o b a b i l i t yo fm e c h a n i c a l f a i l u r e ss ot h a ti tc a nn o tm e e tt h ed e v e l o p m e n tr e q u i r e m e n t so fm o d e ms o c i e t y t h i s t h e s i sm a i n l yd e s i g n e dac o n t a c t l e s so l t cd e v i c eu s i n gt h ed s pa st h ec o n t r o lu n i t a n dt h y r i s t o rs w i t c h e r , i no r d e rt os o l v et h ep u l s ec u r r e n tp r o b l e mi no l t cp r o c e s s ， t h i st h e s i st h r o u g has i n g l e - p h a s ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h ez e r oc u r r e n tc u t t i n g o f fc o n t r o ls t r a t e g y , a n dd e r i v et h et h r e e - p h a s ec o n t r o ls t r a t e g yo ft h ec o n t a c t l e s s o l t c ，a n dr e s e a r c ht h et r a n s i e n tp r o c e s so ft h ec o n t a c t l e s so l t co nf u n d a m e n t a l i n t h ef i n a lp a r to ft h i sp a p e r , t h i sm e t h o dw a sv e r i f i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d s o m et h r e e p h a s et e s t so fd i f f e r e n tl o a dc o n d i t i o n c a ib o ( e l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r i ca p p a r a t u s ) d i r e c t e db yp r o f c u ix u e s h e n k e yw o r d s ：o l t c ，c o n t a c t l e s s ，s w i t c h e r , p u l s ec u r r e n t i k i，一 华北电力人学硕十学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 论文研究背景1 1 2 变压器有载调压的发展历史与现状2 1 3 本文研究的主要内容和工作3 第二章无触点有载调压装置的设计及控制策略的研究5 2 1 有载调压方案的选择5 2 2 无触点有载调压装置的设计7 2 2 1 无触点有载调压装置主电路的设计8 2 2 2 无触点有载调压装置的硬件设计8 2 3 无触点有载调压的控制策略的研究1 3 2 3 1 无触点有载调压冲击电流产生的原因及其控制策略1 3 2 3 2 单相实验1 4 2 3 三相控制策略1 9 2 4 本章小结2 0 第三章有载调压过渡过程的研究2 l 3 1 在a b c 坐标系下变压器的电压方程2 l 3 1 1 磁链方程。2 l 3 1 2 电压方程2 2 3 2 过渡过程的理论研究2 3 3 2 1 接入调压绕组的过渡过程2 4 3 2 2 切除调压绕组的过渡过程2 8 3 3 过渡过程的仿真波形3 1 3 4 本章小结3 1 第四章无触点有载调压的软件实现和实验研究3 3 4 1 无触点有载调压装置的软件设计3 3 4 。1 1 系统主程序3 3 4 1 2 中断处理程序3 4 4 1 3 故障处理程序3 4 4 2 无触点有载调压的实验研究3 5 4 2 1 实验平台3 5 4 2 2 无触点有载调压的实验研究3 7 华北电力大学硕士学位论文 4 3 本章小结4 2 第五章结论与展望4 3 5 1 结论4 3 5 2 展望4 3 参考文献4 5 致谢4 9 在校期间发表的学术论文和参加科研的情况5 0 i i i 一 华北电力入学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第一章绪论 电网中电压是重要的运行参数。为了满足电能传输和使用的安全经济运行以 及电气设备制造的需要，电力主管部门规定了在电能的产生、传输和消耗过程中 不同的电压等级和相应的电压标准。电网的每一个节点电压都伴随负荷的变化而 变化，电能在从电源经过输电网和配电网传输到用户的过程中将产生一定的功率 损耗和电压损耗，越远离电源的节点，其电压偏差越大。在同一个电压等级下， 实际运行电压有效值与额定电压有效值的偏差的大小直接影响电气设备的使用 效率和使用寿命，影响电网的安全经济运行，电压偏差越大，不利的影响越严重。 为了保证输、配、用电设备具有较高的使用效率和使用寿命，电力系统规定了不 同电压等级的电压水平，并通过调压的手段，维持电网各节点电压长期连续运行 在相应的电压水平内。 电压也是衡量电能质量的一个重要指标。为了确保用户的供电电压质量，世 界各国都制定了相应的电压质量标准，我国制定的关于电能质量五项标准中，有 四项标准与电压质量有关，即：电能质量一供电电压允许偏差g b l 2 3 2 5 - - 9 0 、 电能质量一三相电压允许不平衡度g b t 1 5 5 4 3 9 5 、电能质量一公用电网谐 波g b t 1 4 5 4 9 9 3 、电能质量一电压允许波动和c i j 变g b l 2 3 2 6 9 0 。其中， 关于电压允许偏差的标准尤为重要，因为电压偏差的大小直接影响工业产品生产 的质量和产量，影响人们的正常工作和生活，影响电网的安全和经济运行【2 3 j 。 在低压配电网中，配电变压器二次侧往往只需要对一个或者多个用电设备提 供电源( 如抽油机) ，那么电压偏差的大小更加直接的影响到用电设备的稳定和 寿命，同时也影响到工业产品生产的质量和产量，可以说保持电压的稳定是电力 系统中一个及其重要的环节。 为了解决电压的波动对用电设备乃至电网安全的影响，目前电力系统常用的 调压方法有：发电机调压、无功补偿调压、改变网络参数调压和变压器调压等。 发电机调压是发电机在其额定电压的+ 5 以内调整其端电压，以满足近距离的 机端负荷和直送负荷稳定电压供电的需要。但是在低压配电网中调压往往需要正 负调节，且范围往往不止+ 5 。无功补偿调压是利用无功补偿设备，例如：调 相机、并联电容器、并联电抗器和各类静止补偿器等，通过发出或吸收无功功率 平衡电力系统的无功功率不足或过剩引起的电压幅值上下波动，达到稳定电压和 减少线损的目。改变网络参数调压是通过改变电网的导线截面、改变电网的接线 华北电力人学硕士学位论文 方式、并列运行变压器的台数、改变可改变电网参数的接入设备的参数等。无论 是无功补偿调压还是改变网络参数调压都是针对高压或中压配电网，对于低压配 电网且配电变压器二次侧直接接用电设备的情况下，这两种调压方式在电网经济 运行中显得很不“协调 。变压器调压是通过改变变压器的电压比实现调压的。 变压器调压分两类：无级调压和分级调压。无级调压是采用感应调压、移圈调压、 移芯调压和滑动接触的自耦调压等方法改变电压比。无级调压能使调压做到非常 一 精确，但是针对一个小的低压配电系统未免显得过分“昂贵 。分级调压通常是 通过改变变压器的分接头来改变变压器的电压比，升高或降低次级绕组的电压， 到稳定电压的目的。变压器分级调压具有两种方式：无励磁分级调压和有载分级 调压，无励磁分级调压是变压器停电调换分接头改变电压比，达到调整次级绕组 的电压的目的。由于无励磁调压需要停电，不能根据负荷变化调节电压，所以它 仅适用于可以短时间停电( 几分钟至几十分钟) ，而且不需要经常调压的场合， 这种调压方式在电力系统中使用越来越少。有载分级调压是根据负荷变化，带负 荷运行切换其分接开关改变电压比。有载分级调压范围大，调压原理简单，且经 济适用。因此在低压配电网中选择有载调压是一种较为理想的调节电压促使电网 正常运行的调压方式1 4 5 ，6 】。 1 2 变压器有载调压的发展历史与现状 早期的变压器有载凋压技术以机械型有载分接开关的技术水平为标志。二十 年代初，日美及欧洲的许多国家开始研制和使用有载分接开关，当时有载分接开 关的容量较小，限流元件有电抗器和电阻两种，其中美国主要以电抗器为主，但 随着有载分接开关的容量增大，使用电抗器已不经济，因而逐渐被电阻限流的有 载分接开关代替。德国m r ( m a s c h i n e n f a b r i kr e i n h a u s e ng m b h ) 公司在1 9 2 7 年 研制出电阻器型有载分接开关( o n 1 0 a dt a p c h a n g e rw i t hc u r r e n tl i m i t i n gr e s i s t o r s ) ， 与电抗器型有载分接开关相比，具有耗材少、体积小、电弧时间短、触头寿命长 等优点，因而，电阻器型有载分接开关的应用比电抗器型有载分接开关的应用更 普及【7 j 。但随着电力系统的规模越来越大、结构越来越复杂，保证电压质量的难 度越来越大，机械型有载分接开关调压方式已经暴露出明显的不足，它存在由机 械触头带来的三个难以解决的固有问题：分接头切换过程中产生电弧；调压 响应速度慢，滞后1 0 0 毫秒至几秒钟；机械传动结构复杂，故障率高，维护量 大【8 】o 二十世纪六十年代电力电子技术迅速发展，新型的高电压、大功率电力电子 器件进入工业化应用，为了解决变压器有载分接开关在调压过程中机械触头燃弧 的问题，而又不增加过多的资金投入，人们开始研究采用高电压、大功率电力电 2 华北电力大学硕+ 学位论文 子器件辅助机械型有载分接开关调压。文献7 提出了一种利用电力电子辅助机械 型有载开关来进行调压的有载调压方式，电力电子开关仅仅在有载调压过程中起 过渡作用，用来解决传统机械开关带来的燃弧问题。9 6 年，骆平申请一种变压 器有载分接开关的专利，用于电力变压器的有载调压，也是基于此原理。尽管电 力电子辅助机械型有载开关来进行调压的有载调压方式能够很好的解决机械型 有载分接开关在有载调压过程中燃弧的问题，但是机械型有载分接开关在调压过 程中，调压响应速度慢、机械故障率高等问题并没有得到充分的解决。为了进一 步解决变压器有载调压的调压响应速度和降低故障率，人们从二十世纪九十年代 开始研究电力电子型有载分接开关，研究的主要内容有：电力电子有载分接开关 结构、开关拓扑、采用电力电子器件的类型。m a i l a hn f 提出了利用单片机与 电力电子开关相结合的一种新的技术，利用全电力电子式有载分接开关进行调压 的有载调压方式( 又称无触点开关的有载调压方式) 。文献6 也提出了一种利用 晶闸管做为有载分接开关进行调压的有载调压方式。李晓明教授更是在前人的基 础上总结出了一种连通拓扑组合状态有载调压方式不仅很好的解决了有载调压 过程中调压响应速度慢、机械故障率高的问题，更进一步的合理的分配了无触点 有载调压分接头的位置。虽然电力电子型有载分接开关调压具有调压响应速度快 ( 几十毫秒) ，故障率低的优点，且能够解决传统机械式有载分接开关的所有弊 端，但是电力电子器件用量较大，成本较高。此外，在电力电子分接开关的结构 设计、控制系统与控制方法的设计等方面，如何考虑电力电子器件的耐压水平、 运行的安全性和可靠性还有许多问题需要解决，所以，目前这种调压方式还处于 研究阶段1 0 1 1 1 。 目前关于无触点有载调压的研究主要存在两个方面的不足，第一是有关有载 调压的研究绝大部分是针对l o k v 以上的配电网，但是在电网中瞬间电流往往几 百上千安，目前的电力电子器件很难承受如此大的电流，往往在抽头切换过程中 加个过渡电阻来减小大电流对电力电子的器件的影响，这样就增加了调压响应时 间且增加了控制的难度，但是在低压配电网中电流比高压配电网要小的多，现在 的电力电子器件完全可以承受，因此没有必要增加过渡电阻，从而使响应速度更 快，控制更加简单。第二是对有载调压的过渡过程的研究不够细致入微，甚至没 有一套完整合理的控制策略。本文主要针对这两个方面做了深入的研究。 1 3 本文研究的主要内容和工作 本文主要针对低压配电网，特别是变压器只接单个或几个用电设备的情况 下，研究无触点开关做为有载分接开关的有载调压系统和控制方法。本文的内容 和工作主要有以下几方面： 华北电力人学硕+ 学位论文 1 本文在前人研究的基础上选择了全电力电子开关做为有载调压的分接开关， ， 在单相实验研究的基础上系统分析了用晶闸管实现有载调压软切换的控制方法， 进一步推导出三相分相投入的控制策略。 2 对三相变压器又在调压的过渡过程进行了理论研究，并通过仿真验证了分 相切换控制策略的正确性。 3 设计制作了以电力电子开关作为有载分接开关的无触点有载调压装置，通过 。一 三相实验进一步验证分相切换控制策略的正确性。 4 一 华北电力大学硕士学位论文 第二章无触点有载调压装置的设计及控制策略的研究 变压器有载调压是通过改变变压器原副边的匝数比即变比来达到调节电压 的目的，这也是有载调压的原理n 3 。但具体怎么调压以及调压过程中将会遇到怎 样的问题这就是本章所要涉及的内容。 2 1 有载调压方案的选择 由前文可知变压器调压可以分为无级调压和分级调压，而无级调压和有载分 级调压都可以应用于有载调压，其中无级调压是采用感应调压、移圈调压、移芯 调压和滑动接触的自耦调压等方法改变电压比。无级调压能使调压做到非常精 确，但是针对一个小的低压配电系统特别是副边只接单一用电设备的调压系统未 免显得过分“昂贵 ，因此本文不予采用。而有载分级调压又可以分电力电子辅 助机械型有载调压和全电力电子型有载调压。下面分别介绍这两种调压方案，通 过对比选出本文的解决方案。 方案一：电力电子辅助机械型 电力电子辅助机械型有载调压变压器有很多种，但是其的工作方式基本相 同，其原理是利用电力电子开关与机械开关并联配合使用，当接通电路时，先接 通电力电子开关后接通机械开关；当断开电路时，先断开机械开关后断开电力电 子开关，电力电子开关在调压过程中所起的是过渡作用，这样主要是避免了机械 分接开关频繁接通和切断高电压下的大电流而引起的燃弧，而机械开关充当了有 载分接开关。图2 1 就是一种电力电子辅助机械型有载调压变压器的单相电路图， 其中s 最是机械开关，a 、b 、c 为电力电子开关，d 为辅助变压器主要是防止 在调压过程中电流变化过大。 图2 - i 电力电了辅助机械型有载调压变压器 华北电力大学硕士学位论文 其工作流程如下，假设正常工作状态下机械开关是、瓯和电力电子开关c 是闭合的，如果副边电压u ，过高，这时需要增加原边的调压绕组使副边电压恢复 到正常值，首先闭合机械开关& ，然后等到电流过零点断开电力电子开关c ，闭 合电力电子开关b ，这时断开机械开关墨，在下一个电流过零点断开电力电子开 关b 同时闭合电力电子开关a ，然后闭合机械开关& ，在下一个过零点将电力 电子开关a 断开，同时闭合电力电子开关c ，最后断开机械开关墨，这样就完 成了一次有载调压，并且调压过程中没有燃弧现象产生。 方案- - - ：全电力电子型 全电力电子型有载调压变压器顾名思义就是把电力电子开关作为有载分接 开关，利用电力电子开关代替机械开关在有载调压过程中的作用，其有载调压变 压器单相原理图如图2 - 2 所示： k & 图2 2 全电力电予型有载调压变压器 如图2 - 2 所示有载调压变压器一次侧又主绕组和调压绕组组成，k 一七。为电 力电子有载分接开关，每两个有载分接开关之间是变压器的调压绕组，通过闭合 或断开不同的开关来增加或减少变压器原边的绕组达到改变原副边变压器变比 的目的，从而调节副边电压的大小，具体的有载调压过程简述如下： 以k 。和k ，动作为例，首先假设变压器正常工作时开关k 闭合，其余开关断 开，当副边电压u ，高于负载的额定电压时，为了使负载在额定电压下j 下常工作， 那么就需要断开开关k ，同时闭合开关岛，这样变压器原副边变比增大，使得副 一 边电压u ，减小为负载的额定电压，此有载调压过程为接入调压绕组。假设变压器 正常工作时开关k ，闭合，其余开关断开，当副边电压u ，低于负载的额定电压时， 为了使负载在额定电压下正常工作，那么就需要断开开关岛，同时闭合开关厩， 这样变压器原副边变比减小，使得副边电压u ，增大为负载的额定电压，此有载调 压过程为切除调压绕组。不论是接入调压绕组还是切除调压绕组可以看到电力电 华北电力大学硕十学位论文 子开关完全取代了机械开关的作用，由于电力电子开关没有像机械开关一样的接 触点，因此全电力电子型有载调压方式又称为无触点有载调压，而其中的电力电 子有载分接开关又称为无触点有载分接开关。 通过以上描述可以看到，此两种有载调压方案都可以很好的解决有载调压过 程中燃弧的问题，但是电力电子辅助机械型有载调压方式不仅操作起来比较麻烦 不易控制，而且调压过程中机械开关的动作也会造成一定的机械磨损使得装置的 维护量加大，并且响应时间过长不比传统的机械式有载调压具有多少优势，而无 触点有载调压不仅仅完全克服了上面问题，而且在价格上也并不比电力电子辅助 机械型贵多少，因此本人选择无触点有载调压方式作为本文的研究方向。 2 2 无触点有载调压装置的设计 无触点有载调压装置主要包括微处理器、信号检测电路、驱动电路和有 载调压变压器等四部分，如图2 3 所示，其中有载调压变压器属于主电路部 分，而微处理器、信号检测电路和驱动电路属于控制回路也就是硬件设计部 分。 图2 - 3 无触点有载调压装置原理图 无触点有载调压装置的工作原理是通过不断的检测负载两端的电压大 小，反馈到微处理器，通过微处理器判断电压是否在额定电压范围，如果超 出这个范围便结合电源端三相电流信号的检测，通过微机处理器内部的处理 给驱动电路信号，控制有载调压变压器原边有载分接开关的通断。 7 华北电力人学硕士学位论文 2 2 1 无触点有载调压装置主电路的设计 无触点有载调压装置的主电路设计主要是对有载调压变压器的有载分 接开关的设计，由于本文研究的无触点有载调压需要解决分接头切换过程中产 生电弧，调压响应速度慢，机械传动结构复杂，故障率高，维护量大等弊端，因 此选用反并联晶闸管作为有载分接开关的一种无触点有载调压方式，其主电路如 图2 - 4 所示。 u 1 昌u 边 2 a u 2 图2 _ 4 无触点有载调压装置主电路图 2 。2 2 无触点有载调压装置的硬件设计 无触点有载调压装置的硬件部分包括微处理器、信号检测电路和驱动电 路其中微处理器采用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片，信号检测电路由电压与 电流互感器以及信号调理电路组成。 1 、d s p 2 8 1 2 的硬件设计 无触点有载调压装置的核心部分是微机控制电路，该部分的功能是将各 种信号进行数学运算和逻辑判断，使控制系统各个部分协调运行。可见，微 机控制芯片的性能将对控制器起着决定性的作用。t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 提 供了强大的计算能力，最高运行速度可达1 5 0 m i p s ，具备足够大的存储器容 量、足够快的运算速度、足够强大的逻辑判断能力和通讯功能等，完全满足 本系统设计所要求的微机控制能力，所以本系统选用t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为控制芯片。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的结构、性能和优点有： 华北电力人学硕士学位论文 1 采用高性能c m o s 技术，1 5 0 m h z 振荡频率( 6 6 7 n s 指令周期) ；低功耗设计 ( 1 9 v 内核 1 5 0 m h z ，3 3 v 的i o 引脚) ；3 3 v 的f l a s h 电压。 2 高性能3 2 位c p u ，哈佛总线结构，强大的操作能力；快速中断响应和处理； 统一的寄存器编程模式；4 兆字的线性程序地址；4 兆字的数据地址； t m s 3 2 0 f 2 4 x l f 2 4 0 x 处理器源代码兼容； 3 片内高达1 2 8 k 的f l a s h 程序存储器；两块6 4 k 的单存取r a m ：一块1 2 8 k 的 s a r a m 和两块1 6 k 的s a r a m ； 4 外围中断扩展功能可支持4 5 个外围中断； 5 串行接口外围，s p i ；两个s c i ：标准u a r t 接口；增强型c a n 总线； 6 可达5 6 个独立可编程的多路通用输入输出( g p i o ) 引脚； 7 先进的仿真特性，分析和断点功能；硬件实时调试； 8 时钟和系统控制，支持动态改变锁相环( p l l ) 的参数值；片内振荡器； 看门狗定时器模块： 9 3 个3 2 位c p u 定时器；以及3 个外部中断 1 0 外部接口，可达l m 的存储器空间，可编程的等待状态；可编程的读写选 通定时。 图2 5d s p 控制系统框图 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的硬件资源，考虑本系统的实际需求，设计的控制系 统框图如图2 5 所示，d s p 作为控制系统的核心部分，起到检测与控制的作用。 a d 7 6 5 6 采样电压检测和电流检测信号后给d s p 实时计算和判断，d s p 输出控 制系统驱动晶闸管和接触器导通或者关断。其中t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与a d 7 6 5 6 接 口电路如图2 6 所示，a d 7 6 5 6 是4 路1 6 位高性能a d 芯片，很好的保证了采样 的同时性，为本文空间向量方法采样电源参数提供了良好的基础。 9 华北电力人学硕士学位论文 d v d d t + 3 v d r a d cr s t r s tw r p w m lc o n a b c 】s t d b y r er d i sc sh s s e l i n t lb u s ys e r d 0 d a 0 】r a n g e d l ! d a 1 5 】 w b v s sd g n d 上 图2 - 6d s p 2 8 1 2 与a d 7 6 5 6 接口电路 2 、无触点有载分接开关触发电路的设计 实际上无触点有载分接开关就是一种晶闸管开关，晶闸管经过几十年的 发展，其触发脉冲有宽脉、双窄脉冲及脉冲列三种方式，对于电感性负载或 电动机负载应采用脉冲列触发，其触发要求为【4 6 】： ( 1 ) 触发电路输出的电压和电流应大于元件的门极触发电压( u g ) 和 触发电流( i a ) ，并应考虑门极特性的分散性及温度的影响。根据触发电路的 不同，输出的触发脉冲有带峰尖的窄脉冲、矩形宽脉冲以及前沿可调、后沿 固定的强触发脉冲等多种，如图2 7 所示。脉冲的幅值应大于元件的触发电 流值，对尖脉冲的选取例如2 0 0 a 双向晶闸管的i c o 4 a ，设计脉冲幅值时 取o 5 0 7 a 。对强触发脉冲电流尖峰值一般为( 3 5 ) i g 。设计电路时，触发 电流、电压不宜过大，以免损坏门极。 图2 - 7 几种类型的脉冲波形图 ( 2 ) 双向晶闸管截止时，触发电路输出的电压应小于元件的门极不触 发电压，保证元件能可靠截止一般应小于0 1 5 o 2 v 。 ( 3 ) 触发脉冲的上升前沿要陡。这样一方面可以使触发时问准确，另 一方面则可缩短元件的开通时间，减少开通时问的功耗。因此一般触发脉冲 的前沿陡度要求在1 0 us 以下，如采用强触发脉冲，则可达到lus 左右。通 常，在交流电力电子开关中，触发电路大多是采用强触发脉冲。 ( 4 ) 触发脉冲应有足够的宽度，双向晶闸管从门极施加触发信号起， 至元件完全开通要有一定的时问，丌通时间一般在6us 以下，它由延迟时间 1 0 华北电力人学硕+ 学位论文 和上升时间两部分组成，故触发脉冲的宽度应大于此值，对于电感性负载， 脉冲宽度还应加大。一般采用后沿固定，前沿可调脉冲宽度6 = 1 8 0 。一口的宽 脉冲。 ( 5 ) 触发脉冲应与电子晶闸管开关主电路的电源电压同步。触发电路 必须保证其输出脉冲相位与一个具体的输入信号相对应，并且在每个半周中 相对零点具有一致的相位。这就规定了触发电路必须具备同步环节。并且这 个输入同步信号一定要与被触发元件所要求的相位一致。 ( 6 ) 触发电路必经保证输出足够的触发功率( 电压、电流及脉冲宽度) ， 以适应晶闸管控制极参数的分散性和触发电路所用的电子元器件在规定工 作温度范围内的可变性。一般在不超出晶闸管标准规定的控制极平均与瞬时 电压、电流与功率的前提下，宜加大控制极功率数据。这有利与减少导通时 间及开通损耗。在电感负载时还要求触发脉冲具有适当的宽度，以期在脉宽 时间内主端电流已经超过触发启动电流，使晶闸管得以可靠的导通。 ( 7 ) 对高压及大容量晶闸管开关必然要采用晶闸管串并联方案。此时 应力求被串并联或并联的晶闸管在同一瞬间导通。否则对并联电路，先导通 晶闸管将承担与并联支路数成正比倍数的电流和电流上升率d i d t ；对串联 电路，后导通的晶闸管将受到由先导通晶闸管转加的电压和电流上升率 如出。因此晶闸管并联接时往往采用强触发，强触发的脉冲波形包括脉冲 前沿、脉冲宽度和脉冲持续时间。脉冲前沿，要求在该段时间中脉冲电流上 升速度大于0 5 a l as 。强触发脉冲宽度，要求大于5 0 l as 。触发脉冲持续时间， 要求5 5l as 。波形为强触发脉冲幅值，可取触发电流的2 - - 4 倍，但应小于最 大控制极电流。强触发脉冲持续电流应大于晶闸管最低工作温度时需要的触 发电流值。 本系统采用脉冲列触发的方式，为了保证晶闸管可靠触发，在本系统中， 触发脉冲序列的产生由5 5 5 输出脉冲信号，触发电路中的脉冲变压器电路图 如图2 8 所示。d s p 输出控制信号与脉冲列信号经过或非门后，通过m o s f e t 进行功率放大，然后将放大的信号送入脉冲变压器，为了抑制触发电路对d s p 造成的干扰，应在d s p 输出端加光电耦合器进行隔离。 华北电力大学硕士学位论文 一 d 1 0 i3 一 d 1 i 皇2 r 7 0 q # j- 一 4 1 图2 8 触发电路中的脉冲变压器电路 3 、互感器电路设计 电压和电流的检测信号来自电压互感器和电流互感器，电源原理图如图 2 - 9 和2 - 1 0 所示。输出信号经过调理后获得一个交流电压信号，此信号作为系 统判断电源故障等时的信号。由于在设计时取样电阻值比较小，因此保证了 交流电压信号限制在a d 7 6 5 6 采样电压1 0 v 1 0 v 范围内。 输入i 嗽 t l 图2 9 电压互感器及其调理电路 图2 一l o 电流互感器及其调理电路 v n o 华北电力入学硕十学位论文 2 3 无触点有载调压的控制策略的研究 2 3 1 无触点有载调压冲击电流产生的原因及其控制策略 本文研究的无触点有载调压装置为了控制成本选择反并联晶闸管作为有载 分接开关，而晶闸管属于半控器件，也就是说单片机给其触发信号只能控制其实 时导通，其关断必须在流过晶闸管的电流过零点，因此必须探讨其特定的控制策 略。 以接入绕组为例，由电机学和图2 2 可得变压器稳态运行的等效电路如 图2 1 1 所示： f i l l l 图2 - 11 变压器稳态运行的等效电路 厶和r i 为主绕组的电感和电阻值厶。和r 。分别为分接开关k 。和如之间调压 绕组的电感和电阻值。由于负载运行时， i i 1 0 ，为了简单可以忽略励磁阻 抗的作用，因此变压器稳态运行的简化等效电路如图2 1 2 所示： r l l 图2 1 2 变压器稳态运行的简化等效电路 令原边的电压为u = s i n ( c o t + 0 ) ，原边的电流为，由图2 1 2 可以得到： ( r 1 + r 。+ 砭+ j r ：) + ( 厶+ 厶，+ 厶+ t ) ! = s i n ( c o t + 秒) 令r + 蜀l + 砭+ 尺：为r 、l i + 厶。+ t + t 为，解此方程有： ，一生 rr = f = = ；焉s i n ( o t + 护一口) + a e = ，ms i n ( c o t + 口一口) + a e 稳态运行时t 专o o ，有： ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 华北电力人学硕士学位论文 = f = = 杀s i n ( t o t + o - a ) = 厶s i n ( c o t + 口一口) ( 2 3 ) 、( 越) 2 + r 2 其中：l = 7 去，口= a r c t a n ( c o l r ) ( 础) 2 + r 2 由于晶闸管开关电流过零关断的特点，当单片机同时发出关断和导通的控制 信号时，就会造成需要闭合的开关已导通但是需要断开的并没有即时的关断，这 时就会在两个开关之间形成一个闭合回路，产生一个环流f ，由图2 - 2 得到： r i i a i + n li d a i = u s i n ( c o t + 秒) ( 2 4 ) 口z u 为两分接开关之间的电压，解此方程有： 一且f a i = m s i n ( c o t + o 一万) + a e 厶， ( 2 5 ) 其中：a ：了些，万：a r c t a n ( 鸠l 墨1 ) 、( 鸠1 ) 2 + r 。 由于r 。，厶，很小几乎没有，那么即使一个很小的u 都有一个比较大的址， 使得 l 。因为a i 自身就是个冲击电流( 也称环流) ，且 l ，那么即 使是不考虑衰减分量系数彳的大小，也可以得到a i 。那么就有可能损坏晶 闸管开关和线路，使得变压器不能正常工作。因此为了避免上述情况的发生，本 文提出了两种解决方案：一种是当a u 等于零时同时关断和导通晶闸管有载分接 开关，另一种是电流矗过零时导通晶闸管有载分接开关。在接入调压绕组的前提 下，下面看看两种控制方案的可行性。 采用第一种方案时，当处在u 过零点这一时刻时，由于电压为零回路中不 会有冲击电流，但是由于晶闸管开关电流过零关断的特点，电压过零时需要断开 的晶闸管有载分接开关k 。并不一定已经断丌，那么在下一个时刻u 不为零时依 然无法避免冲击电流f 的产生，因此此策略并不可行。 采用第二种方案时，同样是基于晶闸管开关电流过零关断的特点，可以完全 保证需要导通的晶闸管有载分接开关如接到单片机的控制信号时，晶闸管有载分 接丌关k 已经完全断开，使得冲击电流f 无从产生。 由此可见，第二种控制方案可以实行，同理也可以应用到切除调压绕组的过 程。 2 3 2 单相实验 为了检验控制策略的可行性，本文利用一个容量为1 5 k v a 的三相多抽头变压 1 4 华北电力大学硕士学位论文 器的一相分别接纯阻性负载和感性负载，接线方式以图2 2 为准，以接入调压绕 组为例，在晶闸管有载分接开关毛电流过零点断开的前提下，分别在电流过零点 前、电流过零点时和电流过零后三种情况下分别导通晶闸管有载分接开关岛，得 到了不同情况下的电流波形图。 1 、电流过零点前导通 以下图形分别为接入调压绕组的情况下，调压变压器副边接纯阻性负载和感 性负载，在电流过零点前导通晶闸管有载分接开关岛时的电流波形图。 t i m e ( m s ) 图2 一1 3 纯阻性负载接入调压绕组时电流波彤 t i m e ( m s ) 图2 - 1 4 感性负载接入调压绕组时电流波形 2 、电流过零点时导通 以下图形分别为接入调压绕组的情况下，调压变压器副边接纯阻性负载和感 性负载，在电流过零点时导通晶闸管有载分接开关j ：时的电流波形图。 _ m a 霉_ m a 华北电力大学硕士学位论文 一_ 薯 t i m e ( m s ) 图2 一1 5 纯阻性负载接入调压绕组时电流波形 t l m e ( m s ) 图2 一1 6 感性负载接入调压绕组时电流波形 3 、电流过零点后导通 以下图形分别为接入调压绕组的情况下，调压变压器副边接纯阻性负载和 感性负载，在电流过零点后导通晶闸管有载分接开关如时的电流波形图。 t i m e ( m s ) 图2 1 7 纯阻性负载接入调爪绕组时电流波形 1 6 6s_-a os_-a 华北电力人学硕士学位论文 t i m e ( m s ) 图2 一1 8 感性负载接入调压绕组时电流波形 由上述实验结果可以看出当晶闸管分接开关在电流过零点前接到单片机的 导通信号时，有载调压过程中两分接开关之间有很大的环流产生，是正常状态下 的6 7 倍，如图2 - 1 3 和2 - 1 4 所示。但是原边电流f l 的冲击并不大，大概不到正 常状态下电流的一倍，如下图所示： s 善 图2 一1 9 纯阻性负载接入调压绕组时电流f l 的波形 图2 2 0 感性负载接入调压绕组时电流f 。的波形 当晶闸管分接开关正好在电流过零点接到单片机的导通信号时，有载调压过 程中电流波形平滑，无冲击，如图2 一1 5 和2 1 6 所示。 当晶闸管有载分接开关在电流过零点后接到单片机的导通信号时，有载调压 1 7 _西5 华北电力大学硕士学位论文 一_ 过程中电流波形并无冲击电流产生，但是调压过程中会出现断流的情况，如图 2 1 7 和2 一1 8 所示。这时需要考虑断流对负载侧电压的影响，当断开较长时间后 导通晶闸管有载分接开关，负载两端电压波形如下图所示： 2 孽 t i m e ( m s ) 图2 2 1 纯阻性负载接入调压绕组时负载端电压波形 t i m e ( m s ) 图2 2 2 电感性负载接入调压绕组时负载端电压波形 当断丌较短时间( 十分之一个周期内) 就导通晶闸管，负载两端电压波形如 下图所示： t i m e ( m s ) 图2 2 3 纯阻性负载接入调压绕组时负载端电压波形 华北电力人学硕士学位论文 t i m e ( m s j 图2 - 2 4 感性负载接入调压绕组时负载端电压波形 通过以上电压波形图可以看到，当断开时间比较长时，对负载电压影响比较 大，导致负载不能正常工作，当断开时间比较短时，对负载电压影响比不大，负 载能够较正常的工作。 由上述分析不难得出在电流过零点前导通晶闸管有载分接开关虽然冲击电 流f 很大，但是原边电流f 。的冲击并不是很大，可以在两分解开关之间加限流电 阻来减小f 。在电流过零点时导通晶闸管有载分接开关可以完全避免冲击电流 f 的影响，达到比较好的调压目的。在电流过零点后导通晶闸管有载分接开关 如果能够在比较短的时间内( 十分之一个周期内) 导通晶闸管有载分接开关亦能 使得调压过程中没有冲击电流的产生，且负载能较正常工作。可以看到在不论是 在电流过零点前，电流过零点时还是电流过零点后导通晶闸管有载分接开关都可 以通过相应的方法有效的避免冲击电流f 的影响，其中在电流过零点时导通晶 闸管有载分接开关的控制方案最简单、有效，因此本文采用电流过零点时导通晶 闸管有载分接开关的控制策略来研究变压器有载调压的过渡过程。 2 3 三相控制策略 上述晶闸管有载分接开关的控制策略和实验结果都是在单相的前提下取得 的，而目前工业用电基本都是三相电源，而且本文的无触点有载调压装置也是针 对低压配电网，而三相电源每相互差三分之一周期，如果只是在三相中的任意一 相电流过零点时导通晶闸管有载分接开关，另外两相都电流必定不为零，因此按 照单相的控制策略可以推出必须在三相电流分别过零点时导通晶闸管有载分接 开关，才能够完全避免冲击电流的影响，而实际电流是按照a c b 的顺序过零点 的，那么只有按照这个顺序在a 相、c 相、b 相电流依次过零点时先后导通晶闸 管有载分接开关，也就是分相投入晶闸管有载分接开关，才能够达到消除冲击电 流f 的目的，这就是本文提出的在三相电源下无触点有载分接开关的控制策略。 1 9 华北电力人学硕十学位论文 2 4 本章小结 本章选取无触点有载调压方式作为本文的研究方向，在此基础上设计了无触 点有载调压装置的硬件部分，并且分析了晶闸管作为有载分接开关在有载调压过 程中产生冲击电流的原因，提出了在单相电源的情况下晶闸管有载分接开关的控 制策略，并通过单相实验验证了本策略的j 下确性，从而进一步的提出了三相电源 下晶闸管有载分接开关的控制策略，为后面过渡过程的研究和- - t e t 实验提供了理 论基础。 2 0 华北电力人学硕十学位论文 第三章有载调压过渡过程的研究 本文在上一章提出了三相电源下无触点有载调压的控制策略，本章将利用这 个结论在m a t l a b 的环境下