【《配电变压器有载调压自动控制系统设计》15000字（论文）】

配电变压器有载调压自动控制系统设计摘要电压是衡量电能质量的重要指标，尤其是供电电压偏差的大小。一部分配电网的供电电压低（即电压值低于国家标准规定的电压下限，（简称“低压”），不仅会影响用电用户的正常使用，还会降低电器的使用效率，影响生产设备的正常运行和生产产品质量问题，增加了配电网的电能损耗，对电力系统和一些电气设备造成严重的损害。在配电网络中可以使用配电变压器对电网电压进行调整以实现电压控制，电压控制技术可分为无励磁电压调节和有载电压调节两种的方式。目前，配电网主流配电变压器没有励磁调节。其施压方式难以满足智能电网建设中配网站的水平。由于机械负载分接开关存在固有的机械接触问题，明显缺乏电压调节要求。近期以来，随着电力电子有载分接开关技术的发展以及机械有载分接开关的高速发展解决了一些固有的问题，但一些遗留缺陷仍没有解决。国内外机械和电力电子有载分接开关的调整方法存在结构复杂、体积大、调整速度慢、故障率高等缺点。为了解决这一系列缺陷，提出了一种基于电力电子器件的全新的有载电压调节调控系统。该系统去除了传统的分接头调压开关，取而代之使用反并联晶闸管组，配合控制元件元单片机。通过对系统电压和电流进行测量收集数值，基于电力系统运行安全、节约成本及检修费用的要求，以此来调整需要连接或关断调压绕组的组数和分接头开关连接的位置，在不影响电网的情况下启动相应的反并联晶闸管。通过这种调压方式，电压调节过程中的电压波形稳定且没有跳动，满足用户对高品质稳定电能的需求[1]。关键词：有载调压；自动控制；晶闸管；反并联；单片机；电力电子1前言1.1本设计的目的与意义采用有载调压，减少电网环流，防止非计划性无功交换，减少并联运行线路损耗，改善潮流，提高供电可靠性。因此，有载分接开关在电力网络中得到了广泛的应用。此外，负载分接开关与电抗器和电容器的组合可以构成可靠、灵活的交流传动元件。有载分接开关作为一种电压控制方法已经过时。然而，大多数水龙头开关仍然使用放置在水箱中的机械开关。有载分接开关(TTAP)是指在变压器有负载的情况下，对分接开关的位置进行切换。它使用机械式有载分接开关来控制电流的通断，也可以控制任意位置的分接触头，这种使用限流电抗器或变阻器平稳高效地改变绕组的电流，其优点是可以避免分接头由于频繁投入开关的过程中造成绕组短路或导致大范围停电事故。其缺陷是调节速度响应很慢、机械触点间起弧造成变压器绝缘油发生极化现象、将发生空载运行的变压器移除电力系统时会有较高的过电压[2]。国外相关研究人员Houch.R.L等人在20世纪开始应用高输出、大电压电力电子开关技术到电力系统。1978年研究人员刊登了新的实验数据在《电力装置和系统》上用于电网电压调节。西门子公司也发表了一篇文章并且刊登在一家期刊上，指出无电弧负载分接开关(采用非接触式电力电子器件和接触开关)，并率先采用了可控硅辅助开关设计的分接开关。采用可控硅辅助开关对分接方式进行了改进。与传统变压器相比，该开关仅在分接开关处进行了改进，用晶闸管代替了动态触点。但是，仍然需要短路电流来限制电压调节，使电压调节过程中不出现负载中断。该技术的核心是在高日电压下，晶闸管触点降低分接开关的通断和关断电流，而在分接开关无法调节电压时，机械开关降低了晶闸管的故障电流和故障电压。降低了晶闸管连续工作的日损耗。由于采用了构造简易的机械部件，高程度上减少了分接头开关过程中发出的电弧，但不能彻底地将电弧去除干净。在20世纪80年代，一些发达国家使用的无弧有载分接开关开始使用可控硅作为开关器件，而不是主电路中的无触点开关，并采用计算机逻辑控制来调节电压。采用可控硅与微型控制系统构造的没有接触点的开关元件，可将系统的通/断时间缩短到毫秒以内，调整速度快。若使用合适的调整方法，可以消除电弧。此外，由于去除了机械开关部件，使得变压器没有损耗因此可以长时间持续不断地高效运行下去。由于无触点开关技术的发展，变压器有载调压系统的结构将会迎来一个全新的发展未来[3]。变压器内独有的可动器件-有载分接开关，其技术性能和可靠性对变压器至关重要。它直接影响电力系统的正常运行。因此可以选择可控硅的反并联方式。通用晶闸管作为一种有载分接开关，是一种没有自关断能力的半控制电力电子器件，但它在许多领域都有广泛的应用。在交流系统中，可以利用交流电流的过零点进行关断，并可以改变其反并联连接方式。它是一种无接触和机械机构的交流开关，电弧接触，磨损和焊接。其性能非常成熟。采用晶闸管反并联的无接触有载分接开关可以满足要求。10kV及以下电力用户需要对负载调压，它的承受电压值远超过固态继电器的额定电压值。造价便宜，拥有广阔的未来市场。本文介绍了一种基于电力电子技术和单片机控制技术的没有冲击负载调节装置控制系统。此系统取消使用机械开关采用电力电子开关。基于电力系统在人们日常生活中运行的状况，以电磁能守恒为依据，快速自动的进行抽头的调整，达到不影响负载调节。以380/220V双绕组带载分接变压变压器为例进行说明。1.2变压器有载调压的介绍变压器的电压调节主要是通过用一个调压开关(即分接式开关)改变一侧线圈的匝数,用来自动调整一侧变压器输入线圈的分接头(一般都是高压线圈,小电流),从而直接达到控制或者改变输入电压的主要目的。变压器的电压调节可以划分为无载调节或者有载调节。无载调压是指先切断变压器的电源,然后拨动开关,再使其连接成电源,使得变压器能够正常运行。有载调压主要是利用带有载调压分接开关连续地接通电源,使得变压器能够正常运行。其原理主要是在变压器开关的驱动触点尚未完全地离开第一个档位时,将其中的过渡电路(两个档位之间的驱动电流受到过渡电阻的约束)连接起来,以确保整个变压器都能不掉电。当动触点向另外齿轮到达时,断开了过渡回路,调整完毕。有载分接开关除了通过回路外,还必须具备良好的灭弧特性。当变压器中如果存在一个阻抗,会使其在输电的过程中出现电压下降,并随着用户侧负载的改变而发生变化。系统的电压波动与用户侧负载变化引起的电压比较大。在局部没有无功平衡的情况和前提下,当电压的变化超出固定值,有载分接启动开关将按一定延时后运转动作进行调整,保持电压的稳定。电源变压器的工作任务就是直接为负荷集成电池中心提供电源。一次侧直接连入主电压网(220kv及以上)或区域性供电网(35~110kv)。这样的变压器不但向负载提供有功和无电的功率,而且通常同时为负载提供有功和无电的功率,一般短路的阻抗也很高。随着各个区域电源负荷的增加和变化,如果没有一个带载分接的开关,那么电源母线的输出电压就可能会发生相应的更改。因此,我国《电力系统技术导则(试行)》明确规定"对于110kv及以下的变压器,宜考虑1级以上电压的变压器采用带负荷调压"。因此,对负载电压的调节作为变压器电源直接提供一个中心,在当地条件和前提下实现无功或不同频率的平衡,地区负荷的数量增加或降低,与并联电容器进行无功补偿装置的开关和低压电抗器、调节部分接头,从而确保随时向用户提供电压的稳定性和质量。1.3国内外发展概况1.3.1国外发展概况成立于20世纪初的国外Mr公司引领着OLTC最前沿的科技和市场[31]。20世纪20年代初，日本、美国和西方众多国家着手开发并采取有载分接开关(LTC)为主开关。限于当时科技并不发达，LTC并不能满足人们对于大容量的要求，电抗器和电阻是当时仅有的限流手段。在美国，主要使用电抗器。但随着LTC容量的增加，使用电抗器变得不再经济，慢慢的采用电阻为限流技术手段的LTC逐渐占据市场。LTC的核心之处在于是不需要切断负载电流开始进行改变分接头。20世纪60年代初，人们利用真空容易灭弧的原理，将其应用到LTC研究中。真空LTC具有很多优点，比如：拥有极长的电气寿命、不会对介质造成损害、灭弧能力极强、适用于大电流开关等。随着电力电子技术的蓬勃发展，有着大功率、耐受高电压的电子开关技术被使用到电力系统中。在1979年，西门子公司刊登了关于有载无弧稳压器的文章，带领了将晶闸管应用到分接开关里的热潮。20世纪80年代，随着功率很大晶闸管的技术的蓬勃发展，我们开始将晶闸管快速调压技术应用到生产中，并利用晶闸管改造机械LTC。ABB公司生产的UED晶闸管无弧有载分接开关技术已经应用了很长时间。分接开关的开关取决于流通晶闸管的电流是否过零。开关的使用期限和操作的次数没有关系，反而是与维护的好坏和操作的环境息息相关;三相分接开关各相独立运行。各个相电压在该系统中可以维持平稳，又能消除各相电压的不平衡。然而，它在电子控制系统中是昂贵的、庞大的和敏感的干扰。目前一些西方的国家利用机械开关和可控硅开发了一种新型无弧有载分接开关。在开关时刻，可控硅投入工作，使触点处于无弧状态，然后机械触点被开关。开关后晶闸管退出，但晶闸管电压水平较高，施加到双侧管上的电压可以达到整个调节线圈的电压，所有管全部被施加电压，这会使得运行变得不稳定。但由于导管中电流将持续流通一段时间，电流流过管子时会产生压降，产生热量，所以需要配备冷却装置。20世纪80年代以来，一些西方发达国家(如美国和德国)实现了无弧负载电压调节[32]。也就是说，舍弃主电路中机械开关使用可控硅开关元件，电压调节全部采用微机逻辑控制。20世纪90年代末期，英国研制了具有晶闸管辅助分流器的LTC，并不断改进[33]。1997年，美国的degeneffR.C.ch阐述了使用固态有载分接开关的思想[34]，它使用少量的晶闸管来代替一些机械开关进行电压调节。此时，全新的能够实现无弧有载调压的分接开关大都选择机构触点与可控硅相结合的方式。当开关时，可控硅投入工作，触点并不会产生电弧，然后机械触点被开关。开关后，可控硅退出，但该装置仍采用机械循环，因此存在一些缺点。由于可控硅和单片机构成的无触点分接开关并没有活动部件，因此无机械损耗，使得变压器可以长期运行;并且可以进行高速反应;每次抽头调整发生在电流过零时，消除了电弧源[35]。2003年，Faizj设计了一种新的基于固态继电器的有载分接开关配电变压器的设计。同年，N.f.mailah展示了一种将单片机与全电子开关组合使用的新技术[36]。正因为无触点开关技术的发展，变压器有载调压向着光明的前景蓬勃发展。1.3.2国内发展概况目前对变压器加压系统的研究主要分为无弧有负荷调节开关和有弧有负荷调节开关，国内有加压开关。现在有无弧的两种无负荷调整技术。有机械开关和晶管组合构成的负载调整技术。另一种是将负载分割开关换成晶体栅极管的无接点调整方式。传统电压调整方案的优点是，在切换机械开关时电流不会流向机械开关，而切换中的电流会从开关器流出。以免产生电弧。变压器的维护工作量相对可以减少，但是与单纯的机械式开关相比，这种开关的结构更加复杂，难以控制。发生故障之后，需要非常高的技术，要达到这个技术的高度是很难的。在电力系统中，为了提高系统的电能质量和供应可靠性，配备了电压调整变压器。现有的有机负荷调整变压器的动作原理,根据机械式的有机负荷开关,其分接开关和调整相关的电气零件被实现了,工作中负荷开关,巨大的弧线,容易发生炽热接触头的腐蚀,并创造出油污染,变压器的绝缘特性产生影响,降低使用寿命。电气操作机构在运行中经常发生故障。据数据统计，故障概率为开关故障率的80%左右，维护工作量大，对变压器的负荷调整作用减弱。基于有负荷调节变压器，在电力系统的安全经济运行中占有重要地位，一直以来受到该领域专家的关注。同时,实用的情况下,几乎所有的电器设备,电压胶印在一定程度上允许的范围,并允许电压胶印范围:电器设备的电压灵敏度和电压对胶印胶印将电器元件粉刺响应结果的重大决定。电力供应和电力使用两边的情况下,技术上、经济上综合考虑,符合全体的利益合理的允许电压胶印标准规定,各类型的用户的允许电压胶印标准,正常情况下是35kv及以上电压引起的供给负荷是+5%,10kv及以下的电压供应电力的负荷是+7%,低压照明负荷在5%~10%,农村电网是7.5%~10%。事故情况下，在上述的基础上允许增加5%，但发生正偏移的最大情况下不能超过10%。变压器有负载调整系统的问题。电弧有负载调压对于解决负载调整变压器中出现的问题有重要的帮助。20世纪20年代以来，国内外许多学者想到利用电力电子元件的无弧电流连接特性，改善有负载分接变压器的连接过程。但是，由于工作的可靠性和制造成本的原因，还没有大规模的生产。电气电子技术的发展为无弧负荷调整方案的改进带来了新的可能性。目前，国内对OLTC的研究很少。实现高速无弧是OLTC的必然趋势。无弧分接开关技术还处于试验探索阶段。为了有效改善传统分接开关在配电网中的应用状况，去除机械分接开关对接点的电弧侵蚀是非常重要的。到目前为止，无弧电压的设计构想有两种。一是完全取消大功率晶体栅极管的机械接触，实现对负载的调压。另一种是机械接触和晶栅极管的结合。控制可能的硅的机械开关的无负荷的弧线的调整是我国提出的方案的一个混合的压力中,机器的开关和电力电子开关相结合的混合调压的方式,采用了电力电子开关,作为辅助开关的控制可能的硅,只使用机器的开关依然是在正常的操作中使用。该方案的优点是，机械开关在开关过程中不切断电流，可避免电弧的产生，有效延长机械开关的寿命。但是，在正常的操作中，机械开关电路经常有串联电阻，造成大量的能量损失，而且开关结构和控制比简单的机械结构复杂，容易发生故障。本文提出了一种高速调节技术，完全取消了电气机械机构的电气电子负载电压调节方案，采用固态继电器过零触发和电流过零自动开关。每个抽头之间串联连接2个固态继电器，消除过渡电阻，切换动作快，不产生电弧。然而，电压调整电路中的任何固态继电器的提前启动或延迟断开可引起抽头连接之间的短路或产生大的循环。选择最小变化率需要在电路中串联连接多个固态继电器，难以保证变压器电压的调整和控制。相比之下，国外对无弧负载调节开关的研究起步较早，提出了各种设计方案。然而，一些方案仍处于测试阶段。其中一些在实际应用过程中由于技术和经济方面的问题，还处于试验阶段，但不能在市场上普及。对于使用多年的产品来说，也存在几个问题。方案设计还在不断改进和完善。公司生产的无弧有负载开关已经生产了很长时间。晶体栅极管的电流过零时，分开开关，不产生电弧。开关寿命不依赖于操作次数，而是依赖于维护和操作条件。三相开关各相独立工作。另外，该系统可维持各相电压的稳定，补偿各相之间的不均衡。存在价格高，占地面积大，电子控制系统干扰敏感等问题。国内的学者,在制动管辅助接点和低压模拟考试的无弧负荷调整方案[5]进行的,但其方案的破弧特性是电流方向和开关动作情况和关系,所以无弧有负荷调整确实发现了无法实现。因此，目前国内外有关无弧有压开关的设计方案尚未达到应用水平。此外，还需要投入大量的人力和财力进行研究。1.4本设计的主要内容在我国近几年关于选择固态继电器作为有载分接开关研究中出现的一系列问题，提出了使用反并联晶闸管的方式作为有载自动调压分接开关的选择。能自动稳定380/220V的低压配电系统配电变压器的电压。该装置没有机械传动机构、具有良好的耐压性能、较快的调节响应速度、可以进行频繁的操作、产生的冲击电流较小、没有电弧产生、生产成本低廉等优点。此系统使用单片机STC89C51对配电变压器低压侧输出电压进行测量，从而自动控制有载分接开关进行调压。调压控制器设计的解决方案:(1)选择合适的晶闸管进行反并联，设计相应的晶闸管触发电路和保护电路;(2)选择单片机STC89C51作为控制系统中心并设计硬件电路;(3)编写控制程序;(4)完成晶闸管触发电路实验。2晶闸管的选择以及触发电路、保护电路的设计2.1晶闸管的选择2.1.1晶闸管的结构特性及原理晶闸管是一种四层结构(PNPN)的大功率半导体器件,它同时又被称作可控整流器或可控硅元件。它有三个引出电极，即阳极(A)、阴极(K)和门极(G)。其内部结构示意图如下图2-1所示。图2-1普通晶闸管是在N型硅片中双向扩散P型杂质(铝或硼),形成PNP2结构，然后在P,的大部分区域扩散N型杂质(磷或锑)形成阴极，同时在P,上引出门极，在P区域形成欧姆接触作为阳极。将内部是四层PNPN结构的晶闸管看成是由一一个PNP型和一个NPN型晶体管连接而成的等效电路，连接形式如下图2-2所示。图2-2晶闸管的阳极a与PNP晶体管V1的发射极相似，阴极K与NPN晶体管v2的发射极相似。正电压时,晶闸管的阳极和控制电极也熊正电压,晶体管V2是正偏差,如生成的控制电极电流IG是基极电流IB2，V2的集电极电流IC2=β2*IG。其中IC2为晶体管V1的基电流IB1，晶体管V1的集电极电流IC1=β1*IC2=β1*β2*IG(β1，β2分别为V1和V2的电流放大因子)。当前的IC1流入V2的基底，并被再次放大。这样，一个强的正反馈就形成了，这使得两个晶体管迅速地打开。这是可控硅的开启过程。导通后晶闸管上的电压降非常小，几乎所有的电源电压都加到负载上，流过晶闸管的电流就是负载电流。正反馈过程如下IG↑→IB2↑→Ic2(IB1)↑→Ic1↑→IB2↑晶闸管接通后，晶闸管自身的正反馈保持其接通状态。此时，IB2=IC1+IG,IC1>>IG。即使控制极电流消失，IG=0,IB2仍然足够大，晶闸管仍然处于通态。因此，控制极点的作用仅仅是触发晶闸管并接通它。晶闸管接通后，控制极将失去控制功能。为了关断晶闸管，最根本的方法是将阳极电流降低到不能保持正反馈的程度，即将晶闸管的阳极电流降低到小于维持电流的程度。可采用以下方法:断开阳极电源;改变晶闸管的阳极电压方向，即在阳极和阴极上施加反向电压。晶闸管的特点是:晶闸管电路由两部分组成，一是阳极阴极电路，二是门极阴极控制电路;阳极和阴极之间具有可控的单向电导率;门只能触发，但不能控制关闭;晶闸管的开、关相当于开关的功能，也称为无触点开关。2.1.2晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性晶闸管的伏安特性曲线是指晶闸管阳极电流IA、阳极与阴极之间电压UAK及控制电流Ic之间的关系，如下图2-3所示。图2-3图中各物理量的含义如下:UDRM、URRM--正、反向断态重复峰值电压;UDSM、URSM--正、反向断态不重复峰值电压;UB0--正向转折电压;UR0--反向击穿电压。晶闸管的伏安特性包括正向特性和反向特性两部分。(1)正向特性晶闸管的正向特性又有阻断状态和导通状态之分。在门极电流Ig1=0情况下，逐渐增大晶闸管的正向阳极电压，这时晶闸管处于断态，只有很小的正向漏电流;随着正向阳极电压的增加，当达到正向转折电压UB0时，漏电流突然剧增，特性从正向阻断状态变为正向导通状态。导通状态时的晶闸管状态和二极管的正向特性相似，即流过较大的阳极电流，而晶闸管本身的压降很小。正常工作时，不允许把正向阳极电压加到转折值UB0,而是从门极输入触发电流Ig,使晶闸管导通。门极电流愈大阳极电压转折点愈低。晶闸管正向导通后，要使晶闸管恢复阻断，只有逐步减少阳极电流。当IA小到等于维持电流IH时，晶闸管由导通变为阻断。维持电流IH是维持晶闸管导通所需的最小电流。2.2触发电路的设计2.2.1触发电路的选择（1）触发脉冲应该有充足的功率。触发电压和触发电流应该大于晶闸管的门极触发电压和门极触发电流。因为晶闸管具有较大的分散特性，且特性随温度变化而变化，所以在进行触发电路的设计时，应留有触发信号功率的裕量，确保可以稳妥触发晶闸管，当然触发信号要低于门极的极限参数值(一般VCM<10V,IGM<10A).

（2）触发脉冲的移相范围应处于变流装置的规定范围之内。触发脉冲的移相范围与主电路型式、负载性质及变流装置的用途有关,例如，三相半波整流电路带有电阻性负载时的移相范围为150°，三相桥式全控整流电路带有电阻性负载时的移相范围为120°。如果三相全控电路带有感性负载且处于整流或逆变状态时，其移相范围为0～180°。但是在实际应用过程中，还要考虑到αminimum与βminimum的束缚，所以实际移相范围小于180°。（3）触发脉冲的宽度和陡度也要满足要求。触发脉冲的宽度通常应能满足晶闸管阳极电流在脉冲消失之前可以达到擎住电流值，使晶闸管可以保持开通状态，这是最小的允许宽度。脉冲宽度还与负载性质以及主电路型式有关。例如，对于带有电阻性负载的单相整流电路，其要求脉冲宽度应该大于10us。带有电感性负载时脉冲宽度大于100us。而三相桥式全控整流电路采用单脉冲触发时脉冲宽度为60°～120°，双脉冲触发时脉冲宽度10°左右即可。（4）触发脉冲与主回路电源电压必须保持同步。为了保证晶闸管在通过每一周波时，都能保持在相同的相位上触发并且重复下去。所以为了保证变流装置的品质和可靠性，触发脉冲应与主回路电源电压保持某种固定相位关系。这种触发脉冲与主回路电源电压保持固定相位关系的方法称为同步。基于上述，我们选择以MOC3061光电双向可控硅驱动器为中枢器件的晶闸管过零触发电路作为此次设计的触发电路。2.2.2MOC3061的功能及特点MOC3061是镓砷化合物构成的光电双向可控硅，其截至电流几乎为零（零特性）。采用6脚的标准封装,其内部结构如图2-4所示。芯片的主要部分由输入和输出两部分组成。引脚1和引脚2是输入。输入部分由GaAs红外发光二极管组成。在5~15mA正向电流驱动下，此二极管将会发出充足的红外光从而驱动输出部分触发。引脚3和引脚5是空引脚，引脚4和引脚6是输出部分，它有一个过零检测的光敏双向可控硅(光敏双向开关)，触发开以后产生控制信号，即红外光二极管发出红外光，光敏双向可控硅触发开，且触发电路控制元件在输出电压接近零时导通，即输入输出电性完全隔离，抗干扰能力强。当电流低于保持电流时，晶闸管将断开。同时，该芯片可以承受7500V的高压，但仍会保持良好的绝缘性能。图2-4性能参数：1最高隔离电压3.5kv2零导通压降3输出端反向峰值电压600v输入端光电二级管参数：1反向电压6v2峰值工作电流50ma3功耗120mw输出端可控硅参数：1关闭状态下所能承受最高电压600v2峰值工作电流1A3功耗150mw总的功耗：250mw正常工作条件：最小IF=15MA，典型IF=20ma.最小VF=1.2V,典型VF＝1.4v2.2.3触发电路的设计基于MOC3061芯片的过零触发电路如图2-5所示。图中RG为晶闸管的控制极电阻。当其灵敏度高时，控制极阻抗高，RG可以增强其抗干扰能力。电路中的R1、R2为触发输出限流电阻，其电阻值通过交流电网的峰值电压和触发器输出端允许的重复冲击电流峰值来确定，一般在220v电网内R1和R2的取值330欧姆。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由7个硅NPN复合晶体管组成。每个ULN2003可以直接驱动7个MOC3061。具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。ULN2003是一个非门电路，其负逻辑驱动器能够平稳触发MOC3061。将数据采集单元获取的数据与电压过零检测电路的参考值进行比较后，MCU将控制信号发送给ULN2003，从而对MOC3061进行驱动，进而触发晶闸管。该触发方式的优点在于:晶闸管输出波形是正弦波，无失真，电磁干扰小，无噪声等。图2-5基于MOC3061芯片的过零检测电路2.3RC缓冲电路的设计晶闸管对过电压非常敏感，当正向电压大于其断开状态重复峰值电压的某一值时，就会产生误导，造成电路故障;当施加的反向电压超过一定值时，晶闸管会立即损坏。因此，必须采用一系列措施来抵制过电压。过电压产生的原因主要是由于系统的电源或储能发生剧烈变化，导致系统转换太晚，或系统中原有积累的电磁能量不能及时消散。冲击电压的来源主要有：(1)交流开关电源过电压;(2)直流侧产生过电压;(3)换相时引起的脉冲电压。根据造成过电压的种种原因，最合理且高效的解决办法是在晶闸管正极和负极之间并联RC缓冲电路如图2-6。由于一般过电压波的频率较高，所以常采用不能改变电压的电容器作为吸收元件。为了防止电路发生振荡，所以使用电阻元件构成RC缓冲电路，减弱电源过电压，保护晶闸管。图2-6过电压保护电路3控制系统的硬件部分3.1电压过零检测电路在控制系统中，MCU将触发信号经过数据采集和处理之后发送到晶闸管的触发电路，然后对分接开关的工作状态进行控制。但在任何时候转换交流电源电压时，都可能产生浪涌电压，产生损害开关设备等一系列的不利因素。此类故障发生在所难免，将会对电网电压的稳定运行造成危害，为了抑制类似故障的危害，基于晶闸管的过零触发特性，单片机中断系统在电网电压过零时发出中断信号，并向晶闸管触发电路发送触发信号，高效并且准确的导通分接开关。同时，可控硅元件一般是单相的，但是配电变压器分接开关为三相。因此，晶闸管控制电路也应确保三相驱动信号之间同步，并采用分相触发的方式。控制器只需取A相交流电压过零点，其余两相可由固定相序关系计算。电压过零检测电路主要由光电耦合器4N25和与非门74lS00构成。其具体连接方式如图3-1所示。图3-1电压过零检测电路其工作原理是:交流电源通过限流电阻R3直接加到两个反向并联的发光二极管上。当交流电压正弦波的正负半周幅值达到1.8V以上时，二极管依次打开，使光耦合器依次打开和关闭。当所有或任何一个光耦合器都打开时，与非门74ls00的输出信号是高电平;当光耦合器被切断时，与非门74ls00的输入信号为高电平，输出信号为低电压。此时，输出端得到脉冲宽度为10ms(50hz交流)的脉冲信号。在中断查询组合模式下，当CPU载有12MHz频率的晶振时，其脉冲宽度不应小于2μs，图中R3为10千欧每瓦特，可将LED电流限制在2.8mA左右。各点电压波形如图3-2所示。图中CTA是A相电压过零检测的输出信号，连接到单片机的入端口。图3-2电压过零检测电路的各点电压波形3.2数据采集单元TLC2543是TI公司生产的12位串行开关电容逐次逼近模数转换器。采用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，可以节省51系列MCU的I/0资源;每个设备有三个控制输入:CS,I/O时钟和数据输入。它也可以通过串行通讯方式的三态输出(数据输出)与主处理器或其外设串口通信，输出转换之后的结果。该设备可以通过主机快速高效地传输数据。除了快速高效的转换器与其通用控制能力，该设备有一个片上14通道多路复用器，它可以选择11个输入通道或3个内部自检电压中的任何一个进行采样保持是自动的。在转换结束时，转换结束(EOC)输出会变高，表示转换已经完成。该变换器将差分高阻抗参考电压与外部输入相结合，具有简化比率转换、隔离模拟电路与逻辑电路和电源噪声的优点。控制系统采用TLC2543完成数据采集工作。通过隔离降压变压器对配电变压器二次侧交流电压进行降压，再经数据采集单元整形、滤波、分压转换为直流电压信号。然后将转换后的数字信号通过A/D转换器TLC2543转换输入到单片机，然后由单片机进行数据处理和系统控制，采用TLC2543的数据采集单元电路如图3-3所示。 图3-3数据采集单元3.3电源电路电源电路是指提供给用电设备电力供应的电源部分的电路设计，使用的电路形式和特点。确保控制系统稳定安全可靠的运行，是系统中最重要的部分之一。所以，有必要设计一个可靠稳定的电源电路，为信号采集和分接开关控制提供可靠的系统电源。系统的电源电路如图3-4和图3-5所示。图3-4+5V电源电路图图3-5+12V电源电路图考虑到设计的控制系统中模拟电路和数字电路的工作要求以及分接开关的需要，设计了+5V和+12V两种供电电路，可以可靠高效地对其他硬件系统进行供电。直流稳压电源采用普通桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出集成稳压部件LM7805CT，LM7812CT设计。为了防止电源过热烧毁电路，给所有集成稳压芯片都配备了足够的散热片。3.4复位电路由可控硅反并联为中央部件组成的有载分接开关系统内包含许多电力电子元件等一系列设施，造成MCU运行时生成强电与弱电、数字与模拟共存的情况，一系列干扰信号经过输电线、接地线、输入输出通道等流进系统，使MCU系统不能正常稳定的运行，最严重的情况会使程序跑飞，或使得控制的误差变大。最恶劣的情况会发生安全事故造成一系列不可挽回的严重局势，所以需要使用一系列预防并解决干扰的方法。普遍的说，微型处理器系统的抗干扰措施分为预防措施和补救措施，基于硬件部分组成的抗干扰技术和基于软件系统组成的抗干扰技术构成微型处理器系统的抗干扰技术。在进行系统抗干扰设计时最完美的方案是使用预防性硬件抗干扰技术。它可以稳定高效的抵制干扰源，将传输干扰信号的通道关闭。通过合理安排和选择硬件抗干扰措施相关参数就能消除系统产生的一系列干扰信号。该系统的设计融合了以上这两种方法，提高了控制系统的抗干扰能力，实现了控制系统的复位功能。STC89C51单片机拥有看门狗定时器，它是由13位计算器和看门狗定时器复位存储器(WDTRST)组成的专用功能定时器。它的抗干扰功能是基于软件控制，即软件复位模式。为了便捷的展现并且使系统的抗干扰能力进一步提升，将X5045芯片[]装进系统，集成了E2PROM、上电复位、看门狗定时器和电压监测功能，形成硬件抗干扰措施。其引脚功能如表3-6所示。表3-6芯片引脚的功能X5045里配置的看门狗功能可以稳定高效的保护系统。电路里配置的看门狗功能在系统故障发生超过系统设定时间时，将会发送复位信号给CPU，使其动作;当电源电压降低到允许的范围时，系统将复位，等到电源电压恢复到稳定值，系统自动置位;E2PROM与CPU可以通过串行通信连接，有4096位的内存来用于放置数据。X5045芯片与STC89C51的硬件接口电路十分简单，复位电路如图3-7所示。图3-7复位电路4控制系统的软件设计4.1主程序设计将软件系统进行模块化设计，以功能块为单位进行程序设计[]。主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图当启动控制系统时,控制板会被驱动,主程序进行初始化,大致内容有：设置标志位,电压的参考值,中断程序初始化设置,每个接口芯片的初始化,初始化抽头转换开关的工作状态等。初始化过后，程序开始进行主循环:第一步，获取并处理隔离变压器采集到的相电压;第二步，通过给定的电压参考值，判断分接开关的工作状态;第三步，运行电压过零检测程序并执行，触发信号的发出只有在交流电源电压过零时才进行;第四步，有载分接开关可控硅的开关进行完毕。这种循环状态将会持续保持在整个软件流程系统的工作过程中。4.2电压过零检测中断服务子程序由于A、B、C三相交流电流之间相位互差120°，A相过零检测到的脉冲为CTA，将相应的查询结果发送到单片机输入端口。当CPU响应并且运行进入中断应用程序后。查询在这个服务程序中进行，根据查询结果，是程序进入A相的中断服务子程序，利用RET指令退出中断程序并返回。流程图如图4-2和图4-3所示，图4-2为中断源查询流程图，图4-3为中断服务子程序。图4-2中断源查询流程图4.3分接开关转换子程序在当主程序进行初始化开关动作的时候，控制器被启动，非接触分接开关运行并处于SCR3位置。对比测量到的二次侧电压和已设定的电压值，假设所测量到的电压小于百分之九十五的额定电压值或者大于百分之一百零五的额定电压值，如果电网电压被检测到过零时，运行分接开关动作子程序并且对分接开关实施转换。为了详细解释开关动作程序的执行过程，采用变压器二次侧电压小于百分之九十五的额定电压的情况举例。分接开关转换程序流程图如图4-4所示。在进行一定时间的采集数据之后，在检测到变压器二次侧电压低于百分之九十五的额定电压时，进行开关变换，实现开关动作程序的功能。图4-3A相中断服务子程序1.以变压器的基本调压原理为根据，当电压的输出值较低减少变压器高压侧绕组的匝数。相应的调控过程为SC4→SC3→SC1;2.如果SCR1处于截止状态，则继续执行开关切换程序，否则立即退回数据采集程序;3.检测电压过零并触发可控硅2;4.检测SCR3的工作状态，若开启，则切断并使SCR1延时触发开启，关闭SCR2并延时一段时间，开关调整完毕;否则，将SCR4断开并且延迟一段时间、触发SCR3、关闭SCR2并返回初始状态。4.4晶闸管触发子程序由于采用的晶闸管是单相式的，而采用的变压器分接开关是三相式的。所以当分接开关进行转换的时候，为了使三相触发脉冲之间保持同步的状态，需要使用分相触发的方式，与此同时使用本身的延时程序完成自动切换三相之间的分接开关，确保有载调压分接开关能够平稳高效地自动控制分接头转换。图4-4分接开关转换子程序流程图我们用SCR1~SCR3举例，三相触发导通对比电源电压的关系如图4-5所示。可以看出,这个子程序只需要一个阶段交流电压零交叉点,与其余别的阶段可以对比计算延迟触发时间依据不变的各相之间的关系,从而实现对负载的自动转换功能的抽头转换开关控制系统,具体的触发子程序流程图如图4-6所示。图4-5SCR1导通向SCR3导通转换过程中的分相触发时序图图4-6晶闸管反并联触发子程序流程图5采用蓄电池作为启动构控制端所需的电压在有载分接开关系统处于平稳高效的工作状态时由二次侧的A相提供，可保证其正常运行。但是，当把变压器从停止运行状态重新开启时，其二次侧的电压值变得很低，无法为控制器供应稳定的电源，使其无法运行，正因为如此分接开关一直关断并保持。想要处理控制机构在变压器开始运行之前的供电问题，供电系统使用蓄电池持续可靠的控制分接开关的平稳开关。变压器二次侧的整流、滤波和稳压电路在系统平稳工作时向控制板供电，并且可以给蓄电池补充电能，使其持续工作下去;当二次侧的电压降至固定范围时，改为蓄电池为其提供电能，保证控制机构平稳高效的运行。它的充电电源可以通过图5-1所示的电路实现[]。图5-1蓄电池电路6实验及结果分析我们使用STC89C51单片机组建的控制系统搭载示波器SC以及白炽灯L硬件，做成了一个简单的触发电路试验电路，以此来测试可控硅的过零触发电路能否可靠地驱动反并联可控硅。在启动电路时，为了更直观地验证可控硅能否被驱动，需要我们观察白炽灯的开关和示波器SC的波型，接线图如图6-1所示。图6-1触发电路实验接线图我们将白炽灯L和示波器SC并联在可控硅和220V电网之间，在MOC3061接收到微型控制单元发送的指令时，红外光晶体管发出红外光进而去驱动MOC3061内的光敏双向晶闸管，然后发送指令去驱动可控硅，可控硅进入工作状态，因此，白炽灯由于有电压施加在其两侧变亮，同时，在示波器上观察到正弦波，图6-2展示的那样。根据最终实验结果，我们可以看到可控硅被稳定触发，也证明了我们设计的基于MOC3061触发电路的可行性。图6-2触发电路实验波形我们可以从以上试验结果得出，本次所设计的反并联可控硅元件完全可以由MOC3061芯片驱动并工作，因此我们可以利用微型控制系统的外设电路来完成本次设计。7结论我通过查阅了大量的参考文献和网络内容，最终确定了使用微型控制系STC89C51和反并联可控硅的组合来完成对变压器有载分接开关的设计。根据搭载的简易试验平台，做了大量试验，最终确定了此次的可以稳定可靠的调节抽头转换开关的自动调压系统。细则如下：1.我曾经也考虑过选择其他器件作为本次设计的有载分接开关，比如交流过零型固态继电器，其实内部就是双向可控硅，但是通过查阅资料发现其耐受冲击电压的能力明显不如晶闸管，且当SSR过热时，其性能下降严重情况下会损毁器件。因此，选择了可控硅反并联的组合来作为有载分接开关。2.我们通过反复实验了解到使用MOC3061芯片去驱动可控硅具有很多优点，这样的驱动方式可以有效地降低有载分接开关的暂态浪涌电流和射频干扰。并且可以使负载输出完整而非断续的正弦波电压。3.我通过大量的查阅资料和实验了解到采用蓄电池电路作为启动机构可以平稳高效简洁地驱动系统工作，适用于变压器短时间停电的场合。4.我采用STC89C51微型控制系统作为有载分接开关的中心部件，设计的电压过零检测电路实时对降压变压器进行电压检测，如果电压过零则触发中断服务子程序，然后可控硅被触发型号驱动，进入工作状态，平稳高效进行转换分接开关，从而完成自动稳压功能。5.通过查阅资料和实验数据，证明了反向并联晶闸管有载分接开关的可行性和实用价值。指出了目前阶段存在的有载分接开关的缺点，设计了一种基于可控硅的有载分接开关。这种方法虽然缓解了有载分接开关耐压能力低的缺点，但增大了分接开关的体积，接下来需要我们考虑怎样使体积变得轻盈。参考文献[1]黄俊杰，李晓明.电力电子有载调压装置的控制系统设计[J],电力自动化设备，2003，10～11[2]陈迎松，冯凯.基于单片机控制的有载调压装置[J],电气时代，2006,7～9.[3]朱志莹，孙玉坤，阮浩.无触点无级有载调压装置控制系统设计[J]，变压器，2008,9[4]张品秀.基于晶闸管的有载自动调压分接开关的研究[J]，东北农业大学硕士论文，2009，10～37[5]王金丽.配电变压器无弧有载调压技术研究[J]，中国电力科学研究院硕士论文，2006，4～7[6]刁永锋，王德生.1994.单片机控制双向晶闸管三相调压接口设计[J],四川师范学院学报,1994,15(4):360~363.[7]刘红玲，秦敬辉.X5043/X5045及其应用[J],彭城职业大学学报,2003,18(2):18~22.[8]姜伟光，郝磊.X5045电路及其应用[J],国外电子元器件2002,5:48~52.[9]张毅刚，彭喜源等.MCS-51单片机应用设计[M],1992,哈尔滨工业大学出版社,北京，292~295.[10]姚欣.无触点有载自动调压配电变压器的研究[J],东北农业大学硕士论文,2006,21.[11]余志勇，李忠义.晶闸管交流调压器触发电路分析与设计[J],电力电子技术，1998,1:1~6.[12]苏泽光，李颈松，徐祖华.基于电力电子技术新型分接开关的发展[J],电气应用，2005,24(4):43~46.[13]王金丽，马钊，潘旭，等.配电变压器有载调压技术[J].中国电力，2018，51（5）：75-79，100.[14]江友华，顾胜坚，方勇.电力电子技术在有载调压变压器中的应用[J],电力建设，2006,27(12):75~77.[15]王榕生.基于交流电机负载双向晶闸管判断电压暂态研究及缓冲电路参数优化[J],福州大学学报，2007,3(2):234~238.[16]李清泉，李彥明等.有载分接开关新型控制器的研制[J],变压器，2001,38(4):26~28.[17]李序葆，赵永健.电力电子器件及其应用[M],2003,机械工业出版社,北京，31~38.[18]谭浩强.C程序设计[M],1998,清华大学出版社,北京，2~4.[19]刘法治.常用电子元器件及典型芯片应用技术[M]，2007,机械工业出版社,北京，107.[20]刘红玲，秦敬辉.X5043/X5045及其应用[J],彭城职业大学学报,2003,18(2):18~22.[21]刘力伟，黄文霞.晶闸管电路与触发电路的相互影响[J],信阳师范学院学报，200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