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      磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)與研究

      2010-07-25 08:13:38孫宏光吳旭升楊青
      船電技術(shù) 2010年4期
      關(guān)鍵詞:晶閘管穩(wěn)壓電抗器

      孫宏光 吳旭升 楊青

      (1. 海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 武漢 430033; 2. 海軍駐711所軍事代表室, 上海 210001)

      1 引言

      艦船停靠碼頭后使用岸電對艦船進(jìn)行供電,為了提高船上大功率空調(diào)機(jī)、照明設(shè)備等的使用壽命,為了保證船上的敏感設(shè)備和精密儀器等的安全運(yùn)行和使用,各種岸電電壓的凈化和調(diào)節(jié)設(shè)備得到了廣泛的研究和發(fā)展。但是目前占主導(dǎo)地位的是機(jī)電調(diào)節(jié)式自耦變壓器和多抽頭變壓器的調(diào)壓裝置。它們不但調(diào)節(jié)速度低,而且諧波抑制能力差,難以滿足負(fù)載對電能質(zhì)量的要求。

      本文設(shè)計(jì)了新型的基于磁飽和式變壓器的岸電電壓自動穩(wěn)定裝置。它借助于磁飽和原理,利用直流激磁作用改變鐵心磁狀態(tài)工作點(diǎn)及磁特性,達(dá)到電壓穩(wěn)定輸出的效果[1,2]。

      2 磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置的基本工作原理

      磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置是一個(gè)利用反饋控制電路來控制磁飽和式變壓器上兩個(gè)晶閘管,通過調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角的大小實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)變壓器輸出電壓的穩(wěn)壓裝置[3]。

      該自動穩(wěn)壓裝置由磁飽和式變壓器、隔離降壓裝置、全波整流、PI反饋控制系統(tǒng)等組成,其結(jié)構(gòu)電路如圖1所示[4]。

      圖1 磁飽和式電壓自動穩(wěn)定裝置結(jié)構(gòu)電路

      由圖1可以看出,磁飽和式變壓器輸出電壓經(jīng)隔離變壓器降壓和全波整流橋整流得到所需的采樣信號,通過PI控制系統(tǒng)對采樣信號進(jìn)行調(diào)節(jié)后輸出控制信號控制磁飽和式變壓器上晶閘管的導(dǎo)通角,從而實(shí)現(xiàn)對電源電壓的補(bǔ)償,得到穩(wěn)定的輸出電壓。

      該穩(wěn)壓裝置中磁飽和式變壓器采用如圖2所示的對稱結(jié)構(gòu),保證變壓器主磁路在任何情況下都是完全對稱的,這樣可以消除因磁路不對稱造成的損耗增加、噪聲增加等不良影響。該變壓器的4個(gè)鐵心中,中間2個(gè)鐵心繞有6個(gè)繞組,其中鐵心上半部分匝數(shù)同為N的4個(gè)繞組構(gòu)成變壓器的原邊,下半部分匝數(shù)同為N的2個(gè)繞組構(gòu)成副邊。原邊的 4個(gè)繞組均設(shè)有抽頭,抽頭比為a=N2/N,每個(gè)鐵心的抽頭間接有極性相反的晶閘管,中間交叉連接的兩端接有一個(gè)續(xù)流二極管。設(shè)原邊的兩抽頭間的繞組為控制繞組,剩下的兩個(gè)為工作繞組,則續(xù)流二極管及兩個(gè)晶閘管的控制構(gòu)成了整個(gè)變壓器的控制部分。通過PI反饋調(diào)節(jié)晶閘管導(dǎo)通角來控制變壓器的直流磁通的大小,從而實(shí)現(xiàn)對控制變壓器原邊容量的調(diào)節(jié)。

      圖2 磁飽和式變壓器結(jié)構(gòu)圖

      3 磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置的數(shù)學(xué)模型

      根據(jù)晶閘管VT1、VT2和續(xù)流二極管VD的可能導(dǎo)通情況,可得出變壓器的三種工作狀態(tài):

      (1) VT1導(dǎo)通,VD截止,VT2截止;(2) VT1 截止,VD導(dǎo)通,VT2截止;(3) VT1 截止,VD截止,VT2導(dǎo)通;

      變壓器按照狀態(tài)(1)~(3)的次序輪流切換工作,在工作過程中,變壓器原邊繞組中將產(chǎn)生如圖3所示方向不變的環(huán)流,該環(huán)流產(chǎn)生的直流磁通引起變壓器中間兩個(gè)鐵心在一個(gè)周期內(nèi)增磁—去磁交替變化,從而實(shí)現(xiàn)變壓器原邊容量的調(diào)節(jié)[5,6]。

      圖3 變壓器原邊工作電流示意圖

      根據(jù)晶閘管和續(xù)流二極管的開關(guān)情況,可以得到變壓器在不同工況下的回路方程[7]:

      當(dāng)VT1導(dǎo)通,VD截止,VT2截止時(shí),回路方程為:

      當(dāng)VT1 截止,VD導(dǎo)通,VT2截止時(shí),回路方程為:

      當(dāng)VT1 截止,VD截止,VT2導(dǎo)通時(shí),回路方程為:

      其中:S為鐵心截面積;R為每匝線圈的電阻;B1為鐵心1的磁感應(yīng)強(qiáng)度;B2為鐵心2的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

      式(1)、式(2)、式(3)就是磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置的數(shù)學(xué)模型[8]。

      4 仿真研究

      為了驗(yàn)證上述理論分析的正確性,采用Matlab中的Simulink對磁飽和式岸電電壓自動穩(wěn)定裝置的兩種工況進(jìn)行了仿真分析。

      (1)岸電電壓的驟降或驟升[9,10]

      在岸電電壓的驟降或驟升均為35%,即電壓幅值驟降到143 V或驟升到297 V,持續(xù)時(shí)間為0.06 s~0.12 s的情況下,穩(wěn)壓裝置的補(bǔ)償電壓波形如圖3和圖4所示;經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓后的變壓器輸出電壓波形如圖5所示。

      圖3 岸電電壓驟降時(shí)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓波形圖

      圖4 岸電電壓驟升時(shí)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓波形圖

      圖5 岸電電壓驟降或驟升經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓后的電壓輸出波形圖

      由圖5可以看出,岸電電壓的驟降或驟升經(jīng)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償后,變壓器輸出的電壓波形與理論分析得到的結(jié)果是一致的。

      (2)岸電中含有諧波[11]

      當(dāng)岸電中含有諧波時(shí),可以把諧波當(dāng)作偏離參考電壓進(jìn)行補(bǔ)償。仿真中,在0.06 s~0.12 s,加入了基波的35%即幅值為77 V,相位為45度的諧波。得到穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓的仿真圖如圖 6所示;經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓后的變壓器輸出電壓波形如圖7所示。

      圖6 岸電含有諧波時(shí)穩(wěn)壓裝置補(bǔ)償電壓波形圖

      圖7 岸電含有諧波經(jīng)穩(wěn)壓裝置穩(wěn)壓后的電壓輸出波形圖

      由圖7可以看出,經(jīng)過穩(wěn)壓裝置對岸電進(jìn)行補(bǔ)償后諧波含量明顯減少,這說明穩(wěn)壓裝置的補(bǔ)償是有效的。

      4 結(jié)束語

      本文分析了基于磁飽和式變壓器的岸電電壓自動穩(wěn)定裝置,理論分析和仿真結(jié)果表明:

      (1) 該裝置對岸電電壓在一定范圍內(nèi)驟降或驟升的變化可以進(jìn)行有效的補(bǔ)償;

      (2) 對岸電含有的諧波,有較好的抑制作用。

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