晶闸管交流调压器输出电流波形畸变原因分析.doc

ABB 晶闸管交流调压器输出电流波形畸变原因分析秦祖荫 2008年9月4日根据The philosophy of ac voltage regulation一文所述的工作原理，导致大电流变压器次级电流波形畸变是因为以下三个因素综合作用的结果：1. 变压器的漏感偏大，也即变压器（包括次级负载）的功率因数过低。2. 晶闸管门极触发脉冲的宽度不够。3. 晶闸管门极过零触发。下面结合电路仿真波形解释这三个因素造成电流波形畸变的原因。图1是仿真用的模拟电路，图中红色虚线框是交流电源 的等效电路，其中L4和R5分别代表前级变压器的漏感和线圈电阻。蓝色虚线框是大电流变压器等效电路，其中Ls1和Ls2分别代表大电流变压器初级漏感和折算到初级的次级漏感，Lm是变压器励磁电感，Rm代表变压器铁心损耗的电阻，RL是折算到变压器初级的次级负载电阻。 图1 图2是图1电路的仿真波形 交流电源电压 IG Ith1 Ith2 ILm IRL 图2交流调压原理中已经说明：功率因数越低，晶闸管门极触发迟后角越小，则晶闸管电流波形的宽度越大。对于大电流变压器次级负载电阻都很小，而变压器次级电感（包括变压器次级漏感和次级大电流导线寄生电感）可能会大于次级负载电阻，这就造成变压器的功率因数很低，再用过零触发（见图2中的触发脉冲电流波形IG）的结果是晶闸管th1首次导通电流波形宽度大于180，而晶闸管th2的触发脉冲宽度延伸不到th1导电结束之后，因此晶闸管th2不能导电，此后的结果是只有th1晶闸管半边工作（见图2中的晶闸管th1电流Ith1 波形,th2的电流Ith2始终是0）。因为只有th1半边工作，变压器励磁电感电流ILm也是单方向电流，th1每次导电就使Lm储能增加（即ILm上升），th1截止时，Lm向负载释放储能（即ILm衰减），所以在上电之后ILm波形是逐渐爬升。变压器负载电流IRLIth1ILm ，图中IRL波形即有正弦畸变。还应说明：图中IRL波形存在暂态分量，这是因为仿真电路中的变压器等效电路次级没有电隔离。上述半边晶闸管导电现象可以用实测变压器初级电流波形（如图2中的Ith1，不存在负向波形）得到证明。因为变压器初级电流中存在暂态分量（直流分量），所以应该用霍尔电流传感器采取电流信号。消除电流波形畸变的合理方法导致大电流变压器次级电流波形畸变的三个因素中大电流变压器和晶闸管触发电路都已经定型，可以不予变更，在此基础上可以采取两项措施消除电流波形畸变：1减小变压器次级输出导线的寄生电感，提高功率因数，在消除电流波形畸变的同时，还可以减小无功电流在大电流导线中的损耗（即节能）。 减小大电流导线寄生电感的方法是用铜排取代软电缆。将两根铜排紧靠在一起，两铜排间夹一层很薄的绝缘，当有大电流时，两根铜排周围的磁通相互抵消，表明寄生电感大大减小。 更合理的措施是尽量降低变压器的漏感，为此在定制变压器时应提出短路阻抗压降（例如短路阻抗压降2%），以进一步提高功率因数。2根据交流调压的理论，当晶闸管触发角等于负载功率因数角时，就可以消除电流暂态分量。为此应摈弃过零触发，将晶闸管门极触发迟后角调大，在无法知道负载功率因数的情况下，可以通过实验试探几次，达到负载电流波形没有畸变即可。更合理的措施是将晶闸管门极触发脉冲宽度加宽。图3是仿真的其它条件与前同,仅将晶闸管门极触发角增大到54o（3ms）所得的波形。从变压器初级电压和变压器初级电流波形间的相位差角（即功率因数角）为59.4o，出触发角和功率因数角间的差为 而触发脉冲宽度为2ms，换算成电角度为，这就表明可以避免只有单边晶闸管工作，也就避免了电流波形畸变。 变压器初级电压变压器初级电流 功率因数角 59.4o交流电源电压 IG Ith1 Ith2 ILm