2-配電變壓器有載調(diào)壓控制系統(tǒng)研究摘要電壓作為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，主要考慮到供電電壓偏差會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生危害。一部分配電網(wǎng)由于種種原因所供應(yīng)的電壓值較低（即電壓值低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電壓下限，（簡(jiǎn)稱(chēng)“低壓”），在這種電壓下工作的設(shè)備不能完全發(fā)揮其工作效率并且無(wú)法高效地運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)的電壓損耗變高，在一定程度上對(duì)所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響，嚴(yán)重的話(huà)還會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)和一些電氣設(shè)備造成嚴(yán)重的損害。在配電網(wǎng)絡(luò)中可以使用配電變壓器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)電壓控制，電壓控制技術(shù)可分為無(wú)勵(lì)磁電壓調(diào)整和有負(fù)載電壓調(diào)整兩種方式?，F(xiàn)在占據(jù)配電網(wǎng)主要市場(chǎng)的主流配電變壓器大都是沒(méi)有勵(lì)磁調(diào)節(jié)。那個(gè)施加電壓的方式難以滿(mǎn)足智能電網(wǎng)建設(shè)中配網(wǎng)站的水平。由于機(jī)械負(fù)載分接開(kāi)關(guān)存在固有的機(jī)械接觸問(wèn)題，明顯缺乏電壓調(diào)節(jié)要求。近期以來(lái)，借助著電力電子有載分接開(kāi)關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，關(guān)于機(jī)械式有載開(kāi)關(guān)的一些不足之處得到了啟示，但一些遺留缺陷仍沒(méi)有解決。國(guó)內(nèi)外機(jī)械和電力電子有載分接開(kāi)關(guān)的調(diào)整方法存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、調(diào)整速度慢、故障率高等缺點(diǎn)。為了解決這一系列缺陷，提出了一種基于電力電子器件的全新的有載電壓調(diào)節(jié)調(diào)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)去除了傳統(tǒng)的分接頭調(diào)壓開(kāi)關(guān)，取而代之使用反并聯(lián)晶閘管組，配合控制元件元單片機(jī)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)電壓和電流進(jìn)行測(cè)量收集數(shù)值，基于電力系統(tǒng)運(yùn)行安全、節(jié)約成本及檢修費(fèi)用的要求，以此來(lái)調(diào)整需要連接或關(guān)斷調(diào)壓繞組的組數(shù)和分接頭開(kāi)關(guān)連接的位置，在不影響電網(wǎng)的情況下啟動(dòng)相應(yīng)的反并聯(lián)晶閘管。通過(guò)這種調(diào)壓方式，電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中的電壓波形穩(wěn)定且沒(méi)有跳動(dòng)，滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)高品質(zhì)穩(wěn)定電能的需求[1]。關(guān)鍵詞：有載調(diào)壓；自動(dòng)控制；晶閘管；反并聯(lián)；單片機(jī)；電力電子目錄摘要 -1前言1.1本設(shè)計(jì)的目的與意義采用有載調(diào)壓，減少電網(wǎng)環(huán)流，防止非計(jì)劃性無(wú)功交換，減少并聯(lián)運(yùn)行線(xiàn)路損耗，改善潮流，提高供電可靠性。因此，有載分接開(kāi)關(guān)在電力網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，負(fù)載分接開(kāi)關(guān)與電抗器和電容器的組合可以構(gòu)成可靠、靈活的交流傳動(dòng)元件。有載分接開(kāi)關(guān)作為一種電壓控制方法已經(jīng)過(guò)時(shí)。然而，大多數(shù)水龍頭開(kāi)關(guān)仍然使用放置在水箱中的機(jī)械開(kāi)關(guān)。有載分接開(kāi)關(guān)(TTAP)是指在變壓器有負(fù)載的情況下，對(duì)分接開(kāi)關(guān)的位置進(jìn)行切換。它使用機(jī)械式有載分接開(kāi)關(guān)來(lái)控制電流的通斷，也可以控制任意位置的分接觸頭，這種使用限流電抗器或變阻器平穩(wěn)高效地改變繞組的電流，其優(yōu)點(diǎn)是可以避免分接頭由于頻繁投入開(kāi)關(guān)的過(guò)程中造成繞組短路或?qū)е麓蠓秶ｋ娛鹿?。其缺陷是調(diào)節(jié)速度響應(yīng)很慢、機(jī)械觸點(diǎn)間起弧造成變壓器絕緣油發(fā)生極化現(xiàn)象、將發(fā)生空載運(yùn)行的變壓器移除電力系統(tǒng)時(shí)會(huì)有較高的過(guò)電壓[2]。國(guó)外相關(guān)研究人員Houch.R.L等人在20世紀(jì)開(kāi)始應(yīng)用高輸出、大電壓電力電子開(kāi)關(guān)技術(shù)到電力系統(tǒng)。1978年研究人員刊登了新的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在《電力裝置和系統(tǒng)》上用于電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)。西門(mén)子公司也發(fā)表了一篇文章并且刊登在一家期刊上，指出無(wú)電弧負(fù)載分接開(kāi)關(guān)(采用非接觸式電力電子器件和接觸開(kāi)關(guān))，并率先采用了可控硅輔助開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的分接開(kāi)關(guān)。采用可控硅輔助開(kāi)關(guān)對(duì)分接方式進(jìn)行了改進(jìn)。與傳統(tǒng)變壓器相比，該開(kāi)關(guān)僅在分接開(kāi)關(guān)處進(jìn)行了改進(jìn)，用晶閘管代替了動(dòng)態(tài)觸點(diǎn)。但是，仍然需要短路電流來(lái)限制電壓調(diào)節(jié)，使電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中不出現(xiàn)負(fù)載中斷。該技術(shù)的核心是在高日電壓下，晶閘管觸點(diǎn)降低分接開(kāi)關(guān)的通斷和關(guān)斷電流，而在分接開(kāi)關(guān)無(wú)法調(diào)節(jié)電壓時(shí)，機(jī)械開(kāi)關(guān)降低了晶閘管的故障電流和故障電壓。降低了晶閘管連續(xù)工作的日損耗。由于采用了構(gòu)造簡(jiǎn)易的機(jī)械部件，高程度上減少了分接頭開(kāi)關(guān)過(guò)程中發(fā)出的電弧，但不能徹底地將電弧去除干凈。在20世紀(jì)80年代，一些發(fā)達(dá)國(guó)家使用的無(wú)弧有載分接開(kāi)關(guān)開(kāi)始使用可控硅作為開(kāi)關(guān)器件，而不是主電路中的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，并采用計(jì)算機(jī)邏輯控制來(lái)調(diào)節(jié)電壓。采用可控硅與微型控制系統(tǒng)構(gòu)造的沒(méi)有接觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)元件，可將系統(tǒng)的通/斷時(shí)間縮短到毫秒以?xún)?nèi)，調(diào)整速度快。若使用合適的調(diào)整方法，可以消除電弧。此外，由于去除了機(jī)械開(kāi)關(guān)部件，使得變壓器沒(méi)有損耗因此可以長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不斷地高效運(yùn)行下去。由于無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，變壓器有載調(diào)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將會(huì)迎來(lái)一個(gè)全新的發(fā)展未來(lái)[3]。變壓器內(nèi)獨(dú)有的可動(dòng)器件-有載分接開(kāi)關(guān)，其技術(shù)性能和可靠性對(duì)變壓器至關(guān)重要。它對(duì)電力系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)造成干擾。因此可以選擇可控硅的反并聯(lián)方式。通用晶閘管作為一種有載分接開(kāi)關(guān)，是一種沒(méi)有自關(guān)斷能力的半控制電力電子器件，但它在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。在交流系統(tǒng)中，可以利用交流電流的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行關(guān)斷，并可以改變其反并聯(lián)連接方式。它是一種無(wú)接觸和機(jī)械機(jī)構(gòu)的交流開(kāi)關(guān)，電弧接觸，磨損和焊接。其性能非常成熟。采用晶閘管反并聯(lián)的無(wú)接觸有載分接開(kāi)關(guān)可以滿(mǎn)足要求。10kV及以下電力用戶(hù)需要對(duì)負(fù)載調(diào)壓，它的承受電壓值遠(yuǎn)超過(guò)固態(tài)繼電器的額定電壓值。造價(jià)便宜，擁有廣闊的未來(lái)市場(chǎng)。本文介紹了一種基于電力電子技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù)的沒(méi)有沖擊負(fù)載調(diào)節(jié)裝置控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)取消使用機(jī)械開(kāi)關(guān)采用電力電子開(kāi)關(guān)?；陔娏ο到y(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ钪羞\(yùn)行的狀況，以電磁能守恒為依據(jù)，快速自動(dòng)的進(jìn)行抽頭的調(diào)整，達(dá)到不影響負(fù)載調(diào)節(jié)。以380/220V雙繞組帶載分接變壓變壓器為例進(jìn)行說(shuō)明。1.2變壓器有載調(diào)壓的介紹變壓器的電壓調(diào)節(jié)主要是通過(guò)用一個(gè)調(diào)壓開(kāi)關(guān)(即分接式開(kāi)關(guān))改變一側(cè)線(xiàn)圈的匝數(shù),用來(lái)自動(dòng)調(diào)整一側(cè)變壓器輸入線(xiàn)圈的分接頭(一般都是高壓線(xiàn)圈,小電流),從而直接達(dá)到控制或者改變輸入電壓的主要目的。變壓器的電壓調(diào)節(jié)可以劃分為無(wú)載調(diào)節(jié)或者有載調(diào)節(jié)。無(wú)載調(diào)壓是指先切斷變壓器的電源,然后撥動(dòng)開(kāi)關(guān),再使其連接成電源,使得變壓器能夠正常運(yùn)行。有載調(diào)壓主要是利用帶有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)連續(xù)地接通電源,使得變壓器能夠正常運(yùn)行。其原理主要是在變壓器開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)觸點(diǎn)尚未完全地離開(kāi)第一個(gè)檔位時(shí),將其中的過(guò)渡電路(兩個(gè)檔位之間的驅(qū)動(dòng)電流受到過(guò)渡電阻的約束)連接起來(lái),以確保整個(gè)變壓器都能不掉電。當(dāng)動(dòng)觸點(diǎn)向另外齒輪到達(dá)時(shí),斷開(kāi)了過(guò)渡回路,調(diào)整完畢。有載分接開(kāi)關(guān)除了通過(guò)回路外,還必須具備良好的滅弧特性。當(dāng)變壓器中如果存在一個(gè)阻抗,會(huì)使其在輸電的過(guò)程中出現(xiàn)電壓下降,并隨著用戶(hù)側(cè)負(fù)載的改變而發(fā)生變化。系統(tǒng)的電壓波動(dòng)與用戶(hù)側(cè)負(fù)載變化引起的電壓比較大。在局部沒(méi)有無(wú)功平衡的情況和前提下,當(dāng)電壓的變化超出固定值,有載分接啟動(dòng)開(kāi)關(guān)將按一定延時(shí)后運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整,保持電壓的穩(wěn)定。電源變壓器的工作任務(wù)就是直接為負(fù)荷集成電池中心提供電源。一次側(cè)直接連入主電壓網(wǎng)(220kv及以上)或區(qū)域性供電網(wǎng)(35~110kv)。這樣的變壓器不但向負(fù)載提供有功和無(wú)電的功率,而且通常同時(shí)為負(fù)載提供有功和無(wú)電的功率,一般短路的阻抗也很高。隨著各個(gè)區(qū)域電源負(fù)荷的增加和變化,如果沒(méi)有一個(gè)帶載分接的開(kāi)關(guān),那么電源母線(xiàn)的輸出電壓就可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的更改。因此,我國(guó)《電力系統(tǒng)技術(shù)導(dǎo)則(試行)》明確規(guī)定"對(duì)于110kv及以下的變壓器,宜考慮1級(jí)以上電壓的變壓器采用帶負(fù)荷調(diào)壓"。因此,對(duì)負(fù)載電壓的調(diào)節(jié)作為變壓器電源直接提供一個(gè)中心,在當(dāng)?shù)貤l件和前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)功或不同頻率的平衡,地區(qū)負(fù)荷的數(shù)量增加或降低,與并聯(lián)電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償裝置的開(kāi)關(guān)和低壓電抗器、調(diào)節(jié)部分接頭,從而確保隨時(shí)向用戶(hù)提供電壓的穩(wěn)定性和質(zhì)量。1.3國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況1.3.1國(guó)外發(fā)展概況成立于20世紀(jì)初的國(guó)外Mr公司引領(lǐng)著OLTC最前沿的科技和市場(chǎng)[31]。20世紀(jì)20年代初，日本、美國(guó)和西方眾多國(guó)家著手開(kāi)發(fā)并采取有載分接開(kāi)關(guān)(LTC)為主開(kāi)關(guān)。限于當(dāng)時(shí)科技并不發(fā)達(dá)，LTC并不能滿(mǎn)足人們對(duì)于大容量的要求，電抗器和電阻是當(dāng)時(shí)僅有的限流手段。在美國(guó)，主要使用電抗器。但隨著LTC容量的增加，使用電抗器變得不再經(jīng)濟(jì)，慢慢的采用電阻為限流技術(shù)手段的LTC逐漸占據(jù)市場(chǎng)。LTC的核心之處在于是不需要切斷負(fù)載電流開(kāi)始進(jìn)行改變分接頭。20世紀(jì)60年代初，人們利用真空容易滅弧的原理，將其應(yīng)用到LTC研究中。真空LTC具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如：擁有極長(zhǎng)的電氣壽命、不會(huì)對(duì)介質(zhì)造成損害、滅弧能力極強(qiáng)、適用于大電流開(kāi)關(guān)等。隨著電力電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，有著大功率、耐受高電壓的電子開(kāi)關(guān)技術(shù)被使用到電力系統(tǒng)中。在1979年，西門(mén)子公司刊登了關(guān)于有載無(wú)弧穩(wěn)壓器的文章，帶領(lǐng)了將晶閘管應(yīng)用到分接開(kāi)關(guān)里的熱潮。20世紀(jì)80年代，隨著功率很大晶閘管的技術(shù)的蓬勃發(fā)展，我們開(kāi)始將晶閘管快速調(diào)壓技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)中，并利用晶閘管改造機(jī)械LTC。ABB公司生產(chǎn)的UED晶閘管無(wú)弧有載分接開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用了很長(zhǎng)時(shí)間。分接開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)取決于流通晶閘管的電流是否過(guò)零。開(kāi)關(guān)的使用期限和操作的次數(shù)沒(méi)有關(guān)系，反而是與維護(hù)的好壞和操作的環(huán)境息息相關(guān);三相分接開(kāi)關(guān)各相獨(dú)立運(yùn)行。各個(gè)相電壓在該系統(tǒng)中可以維持平穩(wěn)，又能消除各相電壓的不平衡。然而，它在電子控制系統(tǒng)中是昂貴的、龐大的和敏感的干擾。目前一些西方的國(guó)家利用機(jī)械開(kāi)關(guān)和可控硅開(kāi)發(fā)了一種新型無(wú)弧有載分接開(kāi)關(guān)。在開(kāi)關(guān)時(shí)刻，可控硅投入工作，使觸點(diǎn)處于無(wú)弧狀態(tài)，然后機(jī)械觸點(diǎn)被開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)后晶閘管退出，但晶閘管電壓水平較高，施加到雙側(cè)管上的電壓可以達(dá)到整個(gè)調(diào)節(jié)線(xiàn)圈的電壓，所有管全部被施加電壓，這會(huì)使得運(yùn)行變得不穩(wěn)定。但由于導(dǎo)管中電流將持續(xù)流通一段時(shí)間，電流流過(guò)管子時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，產(chǎn)生熱量，所以需要配備冷卻裝置。20世紀(jì)80年代以來(lái)，一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家(如美國(guó)和德國(guó))實(shí)現(xiàn)了無(wú)弧負(fù)載電壓調(diào)節(jié)[32]。也就是說(shuō)，舍棄主電路中機(jī)械開(kāi)關(guān)使用可控硅開(kāi)關(guān)元件，電壓調(diào)節(jié)全部采用微機(jī)邏輯控制。20世紀(jì)90年代末期，英國(guó)研制了具有晶閘管輔助分流器的LTC，并不斷改進(jìn)[33]。1997年，美國(guó)的degeneffR.C.ch闡述了使用固態(tài)有載分接開(kāi)關(guān)的思想[34]，它使用少量的晶閘管來(lái)代替一些機(jī)械開(kāi)關(guān)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。此時(shí)，全新的能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)弧有載調(diào)壓的分接開(kāi)關(guān)大都選擇機(jī)構(gòu)觸點(diǎn)與可控硅相結(jié)合的方式。當(dāng)開(kāi)關(guān)時(shí)，可控硅投入工作，觸點(diǎn)并不會(huì)產(chǎn)生電弧，然后機(jī)械觸點(diǎn)被開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)后，可控硅退出，但該裝置仍采用機(jī)械循環(huán)，因此存在一些缺點(diǎn)。由于可控硅和單片機(jī)構(gòu)成的無(wú)觸點(diǎn)分接開(kāi)關(guān)并沒(méi)有活動(dòng)部件，因此無(wú)機(jī)械損耗，使得變壓器可以長(zhǎng)期運(yùn)行;并且可以進(jìn)行高速反應(yīng);每次抽頭調(diào)整發(fā)生在電流過(guò)零時(shí)，消除了電弧源[35]。2003年，F(xiàn)aizj設(shè)計(jì)了一種新的基于固態(tài)繼電器的有載分接開(kāi)關(guān)配電變壓器的設(shè)計(jì)。同年，N.f.mailah展示了一種將單片機(jī)與全電子開(kāi)關(guān)組合使用的新技術(shù)[36]。正因?yàn)闊o(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展，變壓器有載調(diào)壓向著光明的前景蓬勃發(fā)展。1.3.2國(guó)內(nèi)發(fā)展概況目前對(duì)變壓器加壓系統(tǒng)的研究主要分為無(wú)弧有負(fù)荷調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)和有弧有負(fù)荷調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)，國(guó)內(nèi)有加壓開(kāi)關(guān)?，F(xiàn)在有無(wú)弧的兩種無(wú)負(fù)荷調(diào)整技術(shù)。有機(jī)械開(kāi)關(guān)和晶管組合構(gòu)成的負(fù)載調(diào)整技術(shù)。另一種是將負(fù)載分割開(kāi)關(guān)換成晶體柵極管的無(wú)接點(diǎn)調(diào)整方式。傳統(tǒng)電壓調(diào)整方案的優(yōu)點(diǎn)是，在切換機(jī)械開(kāi)關(guān)時(shí)電流不會(huì)流向機(jī)械開(kāi)關(guān)，而切換中的電流會(huì)從開(kāi)關(guān)器流出。以免產(chǎn)生電弧。變壓器的維護(hù)工作量相對(duì)可以減少，但是與單純的機(jī)械式開(kāi)關(guān)相比，這種開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，難以控制。發(fā)生故障之后，需要非常高的技術(shù)，要達(dá)到這個(gè)技術(shù)的高度是很難的。在電力系統(tǒng)中，為了提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供應(yīng)可靠性，配備了電壓調(diào)整變壓器?，F(xiàn)有的有機(jī)負(fù)荷調(diào)整變壓器的動(dòng)作原理,根據(jù)機(jī)械式的有機(jī)負(fù)荷開(kāi)關(guān),其分接開(kāi)關(guān)和調(diào)整相關(guān)的電氣零件被實(shí)現(xiàn)了,工作中負(fù)荷開(kāi)關(guān),巨大的弧線(xiàn),容易發(fā)生熾熱接觸頭的腐蝕,并創(chuàng)造出油污染,變壓器的絕緣特性產(chǎn)生影響,降低使用壽命。電氣操作機(jī)構(gòu)在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生故障。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，故障概率為開(kāi)關(guān)故障率的80%左右，維護(hù)工作量大，對(duì)變壓器的負(fù)荷調(diào)整作用減弱?；谟胸?fù)荷調(diào)節(jié)變壓器，在電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中占有重要地位，一直以來(lái)受到該領(lǐng)域?qū)＜业年P(guān)注。同時(shí),實(shí)用的情況下,幾乎所有的電器設(shè)備,電壓膠印在一定程度上允許的范圍,并允許電壓膠印范圍:電器設(shè)備的電壓靈敏度和電壓對(duì)膠印膠印將電器元件粉刺響應(yīng)結(jié)果的重大決定。電力供應(yīng)和電力使用兩邊的情況下,技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上綜合考慮,符合全體的利益合理的允許電壓膠印標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,各類(lèi)型的用戶(hù)的允許電壓膠印標(biāo)準(zhǔn),正常情況下是35kv及以上電壓引起的供給負(fù)荷是+5%,10kv及以下的電壓供應(yīng)電力的負(fù)荷是+7%,低壓照明負(fù)荷在5%~10%,農(nóng)村電網(wǎng)是7.5%~10%。事故情況下，在上述的基礎(chǔ)上允許增加5%，但發(fā)生正偏移的最大情況下不能超過(guò)10%。變壓器有負(fù)載調(diào)整系統(tǒng)的問(wèn)題。電弧有負(fù)載調(diào)壓對(duì)于解決負(fù)載調(diào)整變壓器中出現(xiàn)的問(wèn)題有重要的幫助。20世紀(jì)20年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者想到利用電力電子元件的無(wú)弧電流連接特性，改善有負(fù)載分接變壓器的連接過(guò)程。但是，由于工作的可靠性和制造成本的原因，還沒(méi)有大規(guī)模的生產(chǎn)。電氣電子技術(shù)的發(fā)展為無(wú)弧負(fù)荷調(diào)整方案的改進(jìn)帶來(lái)了新的可能性。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)OLTC的研究很少。實(shí)現(xiàn)高速無(wú)弧是OLTC的必然趨勢(shì)。無(wú)弧分接開(kāi)關(guān)技術(shù)還處于試驗(yàn)探索階段。為了有效改善傳統(tǒng)分接開(kāi)關(guān)在配電網(wǎng)中的應(yīng)用狀況，去除機(jī)械分接開(kāi)關(guān)對(duì)接點(diǎn)的電弧侵蝕是非常重要的。到目前為止，無(wú)弧電壓的設(shè)計(jì)構(gòu)想有兩種。一是完全取消大功率晶體柵極管的機(jī)械接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的調(diào)壓。另一種是機(jī)械接觸和晶柵極管的結(jié)合?？刂瓶赡艿墓璧臋C(jī)械開(kāi)關(guān)的無(wú)負(fù)荷的弧線(xiàn)的調(diào)整是我國(guó)提出的方案的一個(gè)混合的壓力中,機(jī)器的開(kāi)關(guān)和電力電子開(kāi)關(guān)相結(jié)合的混合調(diào)壓的方式,采用了電力電子開(kāi)關(guān),作為輔助開(kāi)關(guān)的控制可能的硅,只使用機(jī)器的開(kāi)關(guān)依然是在正常的操作中使用。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，機(jī)械開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)過(guò)程中不切斷電流，可避免電弧的產(chǎn)生，有效延長(zhǎng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的壽命。但是，在正常的操作中，機(jī)械開(kāi)關(guān)電路經(jīng)常有串聯(lián)電阻，造成大量的能量損失，而且開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)和控制比簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易發(fā)生故障。本文提出了一種高速調(diào)節(jié)技術(shù)，完全取消了電氣機(jī)械機(jī)構(gòu)的電氣電子負(fù)載電壓調(diào)節(jié)方案，采用固態(tài)繼電器過(guò)零觸發(fā)和電流過(guò)零自動(dòng)開(kāi)關(guān)。每個(gè)抽頭之間串聯(lián)連接2個(gè)固態(tài)繼電器，消除過(guò)渡電阻，切換動(dòng)作快，不產(chǎn)生電弧。然而，電壓調(diào)整電路中的任何固態(tài)繼電器的提前啟動(dòng)或延遲斷開(kāi)可引起抽頭連接之間的短路或產(chǎn)生大的循環(huán)。選擇最小變化率需要在電路中串聯(lián)連接多個(gè)固態(tài)繼電器，難以保證變壓器電壓的調(diào)整和控制。相比之下，國(guó)外對(duì)無(wú)弧負(fù)載調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的研究起步較早，提出了各種設(shè)計(jì)方案。然而，一些方案仍處于測(cè)試階段。其中一些在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題，還處于試驗(yàn)階段，但不能在市場(chǎng)上普及。對(duì)于使用多年的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，也存在幾個(gè)問(wèn)題。方案設(shè)計(jì)還在不斷改進(jìn)和完善。公司生產(chǎn)的無(wú)弧有負(fù)載開(kāi)關(guān)已經(jīng)生產(chǎn)了很長(zhǎng)時(shí)間。晶體柵極管的電流過(guò)零時(shí)，分開(kāi)開(kāi)關(guān)，不產(chǎn)生電弧。開(kāi)關(guān)壽命不依賴(lài)于操作次數(shù)，而是依賴(lài)于維護(hù)和操作條件。三相開(kāi)關(guān)各相獨(dú)立工作。另外，該系統(tǒng)可維持各相電壓的穩(wěn)定，補(bǔ)償各相之間的不均衡。存在價(jià)格高，占地面積大，電子控制系統(tǒng)干擾敏感等問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的學(xué)者,在制動(dòng)管輔助接點(diǎn)和低壓模擬考試的無(wú)弧負(fù)荷調(diào)整方案[5]進(jìn)行的,但其方案的破弧特性是電流方向和開(kāi)關(guān)動(dòng)作情況和關(guān)系,所以無(wú)弧有負(fù)荷調(diào)整確實(shí)發(fā)現(xiàn)了無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)無(wú)弧有壓開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)方案尚未達(dá)到應(yīng)用水平。此外，還需要投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行研究。1.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容在我國(guó)近幾年關(guān)于選擇固態(tài)繼電器作為有載分接開(kāi)關(guān)研究中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，提出了使用反并聯(lián)晶閘管的方式作為有載自動(dòng)調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)的選擇。能自動(dòng)穩(wěn)定380/220V的低壓配電系統(tǒng)配電變壓器的電壓。該裝置沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、具有良好的耐壓性能、較快的調(diào)節(jié)響應(yīng)速度、可以進(jìn)行頻繁的操作、產(chǎn)生的沖擊電流較小、沒(méi)有電弧產(chǎn)生、生產(chǎn)成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。此系統(tǒng)使用單片機(jī)STC89C51對(duì)配電變壓器低壓側(cè)輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，從而自動(dòng)控制有載分接開(kāi)關(guān)進(jìn)行調(diào)壓。調(diào)壓控制器設(shè)計(jì)的解決方案:(1)選擇合適的晶閘管進(jìn)行反并聯(lián)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的晶閘管觸發(fā)電路和保護(hù)電路;(2)選擇單片機(jī)STC89C51作為控制系統(tǒng)中心并設(shè)計(jì)硬件電路;(3)編寫(xiě)控制程序;(4)完成晶閘管觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)。2晶閘管的選擇以及觸發(fā)電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)2.1晶閘管的選擇2.1.1晶閘管的結(jié)構(gòu)特性及原理晶閘管是一種四層結(jié)構(gòu)(PNPN)的大功率半導(dǎo)體器件,它同時(shí)又被稱(chēng)作可控整流器或可控硅元件。它有三個(gè)引出電極，即陽(yáng)極(A)、陰極(K)和門(mén)極(G)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2-1所示。 圖2-1晶閘管內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖普通晶閘管進(jìn)行P型雜質(zhì)(鋁或硼)的雙向擴(kuò)散在N型硅片內(nèi)完成,構(gòu)造了PNP2，為了形成陰極必須在多個(gè)區(qū)域廣泛的傳播N型雜志，同時(shí)在P,上引出門(mén)極，在P區(qū)域形成歐姆接觸作為陽(yáng)極。PNPN結(jié)構(gòu)的晶閘管由于其內(nèi)部構(gòu)造為4層，所以可以設(shè)想為1個(gè)PNP型和1個(gè)NPN型晶體管相互連接構(gòu)成的等效電路，連接形式如下圖2-2所示。圖2-2晶閘管分接結(jié)構(gòu)與原理圖晶閘管的陽(yáng)極a與PNP晶閘管V1的發(fā)射極具有相同的結(jié)構(gòu)，陰極K與NPN晶體管v2的發(fā)射極也如此。當(dāng)施加正向電壓時(shí),晶閘管的陽(yáng)極和控制電極也熊正電壓,晶體管V2是正偏差,如生成的控制電極電流IG是基極電流IB2，V2的集電極電流IC2=β2*IG。其中IC2為晶體管V1的基電流IB1，晶體管V1的集電極電流IC1=β1*IC2=β1*β2*IG(β1，β2分別為V1和V2的電流放大因子)。當(dāng)前的IC1流入V2的基底，并被再次放大。這樣，一個(gè)強(qiáng)的正反饋就形成了，這使得兩個(gè)晶體管迅速地打開(kāi)。這是可控硅的開(kāi)啟過(guò)程。導(dǎo)通后施加在可控硅上的電壓降落值非常低，負(fù)載側(cè)承受了極高的電壓，通過(guò)可控硅的電流就是負(fù)載電流。正反饋過(guò)程如下IG↑→IB2↑→Ic2(IB1)↑→Ic1↑→IB2↑晶閘管接通后，晶閘管自身的正反饋保持其接通狀態(tài)。此時(shí)，IB2=IC1+IG,IC1>>IG?？v使沒(méi)有電流流過(guò)門(mén)極，IG=0,IB2仍然足夠大，晶閘管仍然處于通態(tài)。因此，門(mén)極點(diǎn)起到的僅僅是將可控硅驅(qū)動(dòng)并接通它。晶閘管接通后，門(mén)極將起不了控制功能。為了使晶閘管斷開(kāi)，最有效且值得實(shí)施的方法是使正反饋丟失其工作的條件，那就是減小可控硅的陽(yáng)極電流并使其保持在維持電流值以下。通常有如下幾種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程:斷開(kāi)陽(yáng)極電源;改變晶閘管的陽(yáng)極電壓方向，即在陽(yáng)極和陰極上施加反向電壓。晶閘管有著其獨(dú)特的運(yùn)行方式:陽(yáng)極陰極電路和門(mén)極陰極控制電路組合工作構(gòu)成了可控硅電路;電流流通陽(yáng)極和陰極之間時(shí)，有著明確且單一的方向;門(mén)只能觸發(fā)，但不能控制關(guān)閉;晶閘管的開(kāi)、關(guān)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的功能，可以稱(chēng)做為無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。2.1.2晶閘管的伏安特性晶閘管的伏安特性曲線(xiàn)是指晶閘管陽(yáng)極電流IA、陽(yáng)極與陰極之間電壓UAK及控制電流Ic之間的關(guān)系，如下圖2-3所示。圖2-3伏安特性曲線(xiàn)圖中各物理量的含義如下:UDRM、URRM-正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓;UDSM、URSM-正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓;UB0-正向轉(zhuǎn)折電壓;UR0-反向擊穿電壓。晶閘管的伏安特性包括正向特性和反向特性?xún)刹糠帧?1)正向特性晶閘管的正向特性包括阻斷和導(dǎo)通這兩種狀態(tài)。當(dāng)控制極電流IG1變到零時(shí)，將可控硅的正方向陽(yáng)極電壓值提高，會(huì)發(fā)現(xiàn)可控硅變成斷態(tài)，正向漏電流減小的很小;可控硅的正向陽(yáng)極電壓慢慢提高，提高到UB0時(shí)，漏電流值在很短的時(shí)間里提高到很大，此時(shí)可控硅的特性從正向阻斷狀態(tài)變?yōu)檎驅(qū)顟B(tài)。在處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，可控硅的狀態(tài)在很大程度上相近于二極管的正向特性，都存在很大陽(yáng)極電流，但由于可控硅自身的低壓降特性。正常工作時(shí)，禁止將正向陽(yáng)極電壓提高到UB0,需要將控制電流輸入門(mén)極,可靠地驅(qū)動(dòng)可控硅?？刂茦O電流與陽(yáng)極電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間呈現(xiàn)相反的關(guān)系。當(dāng)可控硅處于正向?qū)〞r(shí)，如果要關(guān)閉可控硅，唯一的辦法是使陽(yáng)極電流值慢慢降低。想要關(guān)斷可控硅需要使IA<=維持電流IH。維持電流IH是維持晶閘管導(dǎo)通所需的最小電流。2.2觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)2.2.1觸發(fā)電路的選擇（1）觸發(fā)脈沖應(yīng)該有充足的功率。觸發(fā)電壓和觸發(fā)電流應(yīng)該大于晶閘管的門(mén)極觸發(fā)電壓和門(mén)極觸發(fā)電流。因?yàn)榫чl管具有較大的分散特性，且特性隨溫度變化而變化，所以在進(jìn)行觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)留有觸發(fā)信號(hào)功率的裕量，確?？梢苑€(wěn)妥觸發(fā)晶閘管，當(dāng)然觸發(fā)信號(hào)要低于門(mén)極的極限參數(shù)值(一般VCM<10V,IGM<10A).

（2）觸發(fā)脈沖的移相范圍應(yīng)處于變流裝置的規(guī)定范圍之內(nèi)。觸發(fā)脈沖的移相范圍與主電路型式、負(fù)載性質(zhì)及變流裝置的用途有關(guān),例如，三相半波整流電路帶有電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍為150°，三相橋式全控整流電路帶有電阻性負(fù)載時(shí)的移相范圍為120°。如果三相全控電路帶有感性負(fù)載且處于整流或逆變狀態(tài)時(shí)，其移相范圍為0～180°。但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，還要考慮到αminimum與βminimum的束縛，所以實(shí)際移相范圍小于180°。（3）觸發(fā)脈沖的寬度和陡度也要滿(mǎn)足要求。觸發(fā)脈沖的寬度通常應(yīng)能滿(mǎn)足晶閘管陽(yáng)極電流在脈沖消失之前可以達(dá)到擎住電流值，使晶閘管可以保持開(kāi)通狀態(tài)，這是最小的允許寬度。脈沖寬度還與負(fù)載性質(zhì)以及主電路型式有關(guān)。例如，對(duì)于帶有電阻性負(fù)載的單相整流電路，其要求脈沖寬度應(yīng)該大于10us。帶有電感性負(fù)載時(shí)脈沖寬度大于100us。而三相橋式全控整流電路采用單脈沖觸發(fā)時(shí)脈沖寬度為60°～120°，雙脈沖觸發(fā)時(shí)脈沖寬度10°左右即可。（4）觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持同步。為了保證晶閘管在通過(guò)每一周波時(shí)，都能保持在相同的相位上觸發(fā)并且重復(fù)下去。所以為了保證變流裝置的品質(zhì)和可靠性，觸發(fā)脈沖應(yīng)與主回路電源電壓保持某種固定相位關(guān)系。這種觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓保持固定相位關(guān)系的方法稱(chēng)為同步?；谏鲜?，我們選擇以MOC3061光電雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器為中樞器件的晶閘管過(guò)零觸發(fā)電路作為此次設(shè)計(jì)的觸發(fā)電路。2.2.2MOC3061的功能及特點(diǎn)MOC3061是鎵砷化合物構(gòu)成的光電雙向可控硅，其截至電流幾乎為零（零特性）。采用6腳的標(biāo)準(zhǔn)封裝,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。輸入和輸出2部分組成為該芯片的主體。引腳1和引腳2是輸入。GaAs紅外發(fā)光二極管組成了輸入部分。在數(shù)值為5～15mA的正方向電流驅(qū)動(dòng)下，會(huì)發(fā)出充足的紅外光觸發(fā)輸出。引腳3和引腳5是空引腳，引腳4和引腳6是輸出部分。圖2-4MOC3061芯片原理圖性能參數(shù)：1最高隔離電壓3.5kv2零導(dǎo)通壓降3輸出端反向峰值電壓600v輸入端光電二級(jí)管參數(shù)：1反向電壓6v2峰值工作電流50ma3功耗120mw輸出端可控硅參數(shù)：1關(guān)閉狀態(tài)下所能承受最高電壓600v2峰值工作電流1A3功耗150mw總的功耗：250mw正常工作條件：最小IF=15MA，典型IF=20ma.最小VF=1.2V,典型VF＝1.4v2.2.3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)基于MOC3061芯片的過(guò)零觸發(fā)電路如圖2-5所示。晶閘管的控制極電阻顯示在圖中的RG?？刂茦O阻抗隨著其靈敏度提高而提高，RG的作用是提高其耐受干擾的能力。此電路擁有觸發(fā)輸出限流電阻為R1、R2，通過(guò)對(duì)比并分析交流電網(wǎng)的峰值電壓和觸發(fā)器輸出端允許的重復(fù)沖擊電流峰值來(lái)確定其電阻值，R1和R2的確定數(shù)值在220v電網(wǎng)中時(shí)取330歐姆。ULN2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由7個(gè)硅NPN復(fù)合晶體管組成。每個(gè)ULN2003可以直接驅(qū)動(dòng)7個(gè)MOC3061。其優(yōu)點(diǎn)有很多如：極高的電流增益、允許在高電壓下運(yùn)行、極寬的溫度范圍、能帶許多負(fù)載等。ULN2003是一個(gè)非門(mén)電路，其負(fù)邏輯驅(qū)動(dòng)器能夠平穩(wěn)觸發(fā)MOC3061。通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)采集單元獲取的數(shù)據(jù)與電壓過(guò)零檢測(cè)電路的參考值，MCU將控制信號(hào)發(fā)送給ULN2003，從而對(duì)MOC3061進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)可控硅的驅(qū)動(dòng)。該觸發(fā)方式的優(yōu)點(diǎn)在于:可控硅輸出的波形是正弦波，無(wú)失真，可以忽略電磁對(duì)其的干擾，雜聲低等。圖2-5基于MOC3061芯片的過(guò)零檢測(cè)電路2.3RC緩沖電路的設(shè)計(jì)可控硅耐受過(guò)電壓的能力很低，如果正向電壓大于其斷開(kāi)狀態(tài)重復(fù)峰值電壓的某一值時(shí)，可控硅失去控制，造成電路故障;如果反向電壓施加的過(guò)大，可控硅會(huì)因此損毀。所以，過(guò)電壓要一定避免。過(guò)電壓產(chǎn)生的原因主要是由于系統(tǒng)的電源或儲(chǔ)能發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致系統(tǒng)轉(zhuǎn)換太晚，或系統(tǒng)中原有積累的電磁能量不能及時(shí)消散。沖擊電壓的來(lái)源主要有：(1)交流開(kāi)關(guān)電源過(guò)電壓;(2)直流側(cè)產(chǎn)生過(guò)電壓;(3)換相時(shí)引起的脈沖電壓。如果想要避免過(guò)電壓帶來(lái)危害，在可控硅陽(yáng)極和陰極之間并聯(lián)一個(gè)基于電阻和電容構(gòu)成的緩沖電路時(shí)最合理且高效的解決辦法如圖2-6。由于一般過(guò)電壓波的頻率較高，所以常采用電壓不能發(fā)生突變的電容器作為吸收元件。為了防止電路發(fā)生振蕩，所以使用電阻元件構(gòu)成RC緩沖電路，減弱電源過(guò)電壓，保護(hù)晶閘管。圖2-6過(guò)電壓保護(hù)電路3控制系統(tǒng)的硬件部分3.1電壓過(guò)零檢測(cè)電路在控制系統(tǒng)中，MCU將觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和處理之后發(fā)送到晶閘管的觸發(fā)電路，然后對(duì)分接開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。但在任何時(shí)候轉(zhuǎn)換交流電源電壓時(shí)，都可能產(chǎn)生浪涌電壓，產(chǎn)生損害開(kāi)關(guān)設(shè)備等一系列的不利因素。此類(lèi)故障發(fā)生在所難免，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定運(yùn)行造成危害，為了抑制類(lèi)似故障的危害，基于晶閘管的過(guò)零觸發(fā)特性，單片機(jī)中斷系統(tǒng)在電網(wǎng)電壓過(guò)零時(shí)發(fā)出中斷信號(hào)，并向晶閘管觸發(fā)電路發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，高效并且準(zhǔn)確的導(dǎo)通分接開(kāi)關(guān)。同時(shí)，可控硅元件一般是單相的，但是配電變壓器分接開(kāi)關(guān)為三相。因此，三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)在可控硅控制電路中需要保持同步。電壓過(guò)零檢測(cè)電路主要由光電耦合器4N25和與非門(mén)74lS00構(gòu)成。連接方式如圖3-1所示。圖3-1電壓過(guò)零檢測(cè)電路其工作原理是:交流電源通過(guò)限流電阻R3直接加到兩個(gè)反向并聯(lián)的發(fā)光二極管上。當(dāng)交流電壓正弦波的正負(fù)半周幅值達(dá)到1.8V以上時(shí)，二極管依次打開(kāi)，使光耦合器依次打開(kāi)和關(guān)閉。當(dāng)所有或任何一個(gè)光耦合器都打開(kāi)時(shí)，與非門(mén)74ls00的輸出信號(hào)是高電平;當(dāng)光耦合器被切斷時(shí)，與非門(mén)74ls00的輸入信號(hào)為高電平，輸出信號(hào)為低電壓。此時(shí)，輸出端得到脈沖寬度為10ms(50hz交流)的脈沖信號(hào)。在中斷查詢(xún)組合模式下，當(dāng)CPU載有12MHz頻率的晶振時(shí)，其脈沖寬度不應(yīng)小于2μs，圖中R3為10千歐每瓦特，可將LED電流限制在2.8mA左右。各點(diǎn)電壓波形如圖3-2所示。圖中CTA是A相電壓過(guò)零檢測(cè)的輸出信號(hào)，連接到單片機(jī)的入端口。圖3-2電壓過(guò)零檢測(cè)電路的各點(diǎn)電壓波形3.2數(shù)據(jù)采集單元TLC2543是TI公司生產(chǎn)的12位串行開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用開(kāi)關(guān)電容逐次逼近技術(shù)完成A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程。由于是串行輸入結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省51系列MCU的I/0資源;每個(gè)設(shè)備有三個(gè)控制輸入:CS,I/O時(shí)鐘和數(shù)據(jù)輸入。它也可以通過(guò)串行通訊方式的三態(tài)輸出(數(shù)據(jù)輸出)與主處理器或其外設(shè)串口通信，輸出轉(zhuǎn)換之后的結(jié)果。該設(shè)備可以通過(guò)主機(jī)快速高效地傳輸數(shù)據(jù)。除了快速高效的轉(zhuǎn)換器與其通用控制能力，該設(shè)備有一個(gè)片上14通道多路復(fù)用器，它可以選擇11個(gè)輸入通道或3個(gè)內(nèi)部自檢電壓中的任何一個(gè)進(jìn)行采樣保持是自動(dòng)的。在轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)輸出會(huì)變高，表示轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。該變換器將差分高阻抗參考電壓與外部輸入相結(jié)合，具有簡(jiǎn)化比率轉(zhuǎn)換、隔離模擬電路與邏輯電路和電源噪聲的優(yōu)點(diǎn)?？刂葡到y(tǒng)采用TLC2543完成數(shù)據(jù)采集工作。通過(guò)隔離降壓變壓器對(duì)配電變壓器二次側(cè)交流電壓進(jìn)行降壓，再經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元整形、濾波、分壓轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。然后將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543轉(zhuǎn)換輸入到單片機(jī)，然后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制，采用TLC2543的數(shù)據(jù)采集單元電路如圖3-3所示。 圖3-3數(shù)據(jù)采集單元3.3電源電路電源電路是指提供給用電設(shè)備電力供應(yīng)的電源部分的電路設(shè)計(jì)，使用的電路形式和特點(diǎn)。確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定安全可靠的運(yùn)行，是系統(tǒng)中最重要的部分之一。所以，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)可靠穩(wěn)定的電源電路，為信號(hào)采集和分接開(kāi)關(guān)控制提供可靠的系統(tǒng)電源。系統(tǒng)的電源電路如圖3-4和圖3-5所示。圖3-4+5V電源電路圖圖3-5+12V電源電路圖考慮到設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中模擬電路和數(shù)字電路的工作要求以及分接開(kāi)關(guān)的需要，設(shè)計(jì)了+5V和+12V兩種供電電路，可以可靠高效地對(duì)其他硬件系統(tǒng)進(jìn)行供電。直流穩(wěn)壓電源采用普通橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出集成穩(wěn)壓部件LM7805CT，LM7812CT設(shè)計(jì)。為了防止電源過(guò)熱燒毀電路，給所有集成穩(wěn)壓芯片都配備了足夠的散熱片。3.4復(fù)位電路由可控硅反并聯(lián)為中央部件組成的有載分接開(kāi)關(guān)系統(tǒng)內(nèi)包含許多電力電子元件等一系列設(shè)施，造成MCU運(yùn)行時(shí)生成強(qiáng)電與弱電、數(shù)字與模擬共存的情況，一系列干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)輸電線(xiàn)、接地線(xiàn)、輸入輸出通道等流進(jìn)系統(tǒng)，使MCU系統(tǒng)不能正常穩(wěn)定的運(yùn)行，最嚴(yán)重的情況會(huì)使程序跑飛，或使得控制的誤差變大。最?lèi)毫拥那闆r會(huì)發(fā)生安全事故造成一系列不可挽回的嚴(yán)重局勢(shì)，所以需要使用一系列預(yù)防并解決干擾的方法。普遍的說(shuō)，微型處理器系統(tǒng)的抗干擾措施分為預(yù)防措施和補(bǔ)救措施，基于硬件部分組成的抗干擾技術(shù)和基于軟件系統(tǒng)組成的抗干擾技術(shù)構(gòu)成微型處理器系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)。在進(jìn)行系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)最完美的方案是使用預(yù)防性硬件抗干擾技術(shù)。它可以穩(wěn)定高效的抵制干擾源，將傳輸干擾信號(hào)的通道關(guān)閉。通過(guò)合理安排和選擇硬件抗干擾措施相關(guān)參數(shù)就能消除系統(tǒng)產(chǎn)生的一系列干擾信號(hào)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)融合了以上這兩種方法，提高了控制系統(tǒng)的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的復(fù)位功能。STC89C51單片機(jī)擁有看門(mén)狗定時(shí)器，它是由13位計(jì)算器和看門(mén)狗定時(shí)器復(fù)位存儲(chǔ)器(WDTRST)組成的專(zhuān)用功能定時(shí)器。它的抗干擾功能是基于軟件控制，即軟件復(fù)位模式。為了便捷的展現(xiàn)并且使系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)一步提升，將X5045芯片[]裝進(jìn)系統(tǒng)，集成了E2PROM、上電復(fù)位、看門(mén)狗定時(shí)器和電壓監(jiān)測(cè)功能，形成硬件抗干擾措施。其引腳功能如表3-6所示。表3-6芯片引腳的功能X5045里配置的看門(mén)狗功能可以穩(wěn)定高效的保護(hù)系統(tǒng)。電路里配置的看門(mén)狗功能在系統(tǒng)故障發(fā)生超過(guò)系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間時(shí)，將會(huì)發(fā)送復(fù)位信號(hào)給CPU，使其動(dòng)作;當(dāng)電源電壓降低到允許的范圍時(shí)，系統(tǒng)將復(fù)位，等到電源電壓恢復(fù)到穩(wěn)定值，系統(tǒng)自動(dòng)置位;E2PROM與CPU可以通過(guò)串行通信連接，有4096位的內(nèi)存來(lái)用于放置數(shù)據(jù)。X5045芯片與STC89C51的硬件接口電路十分簡(jiǎn)單，復(fù)位電路如圖3-7所示。圖3-7復(fù)位電路4控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)將軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，以功能塊為單位進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。主程序流程圖如圖4-1所示。圖4-1主程序流程圖當(dāng)啟動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí),控制板會(huì)被驅(qū)動(dòng),主程序進(jìn)行初始化,大致內(nèi)容有：設(shè)置標(biāo)志位,電壓的參考值,中斷程序初始化設(shè)置,每個(gè)接口芯片的初始化,初始化抽頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)等。初始化過(guò)后，程序開(kāi)始進(jìn)行主循環(huán):第一步，獲取并處理隔離變壓器采集到的相電壓;第二步，通過(guò)給定的電壓參考值，判斷分接開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài);第三步，運(yùn)行電壓過(guò)零檢測(cè)程序并執(zhí)行，觸發(fā)信號(hào)的發(fā)出只有在交流電源電壓過(guò)零時(shí)才進(jìn)行;第四步，有載分接開(kāi)關(guān)可控硅的開(kāi)關(guān)進(jìn)行完畢。這種循環(huán)狀態(tài)將會(huì)持續(xù)保持在整個(gè)軟件流程系統(tǒng)的工作過(guò)程中。4.2電壓過(guò)零檢測(cè)中斷服務(wù)子程序由于A、B、C三相交流電流之間相位互差120°，A相過(guò)零檢測(cè)到的脈沖為CTA，將相應(yīng)的查詢(xún)結(jié)果發(fā)送到單片機(jī)輸入端口。當(dāng)CPU響應(yīng)并且運(yùn)行進(jìn)入中斷應(yīng)用程序后。查詢(xún)?cè)谶@個(gè)服務(wù)程序中進(jìn)行，根據(jù)查詢(xún)結(jié)果，是程序進(jìn)入A相的中斷服務(wù)子程序，利用RET指令退出中斷程序并返回。流程圖如圖4-2和圖4-3所示，圖4-2為中斷源查詢(xún)流程圖，圖4-3為中斷服務(wù)子程序。圖4-2中斷源查詢(xún)流程圖4.3分接開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換子程序在當(dāng)主程序進(jìn)行初始化開(kāi)關(guān)動(dòng)作的時(shí)候，控制器被啟動(dòng)，非接觸分接開(kāi)關(guān)運(yùn)行并處于SCR3位置。對(duì)比測(cè)量到的二次側(cè)電壓和已設(shè)定的電壓值，假設(shè)所測(cè)量到的電壓小于百分之九十五的額定電壓值或者大于百分之一百零五的額定電壓值，如果電網(wǎng)電壓被檢測(cè)到過(guò)零時(shí)，運(yùn)行分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作子程序并且對(duì)分接開(kāi)關(guān)實(shí)施轉(zhuǎn)換。為了詳細(xì)解釋開(kāi)關(guān)動(dòng)作程序的執(zhí)行過(guò)程，采用變壓器二次側(cè)電壓小于百分之九十五的額定電壓的情況舉例。分接開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖4-4所示。在進(jìn)行一定時(shí)間的采集數(shù)據(jù)之后，在檢測(cè)到變壓器二次側(cè)電壓低于百分之九十五的額定電壓時(shí)，進(jìn)行開(kāi)關(guān)變換，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作程序的功能。圖4-3A相中斷服務(wù)子程序1.以變壓器的基本調(diào)壓原理為根據(jù)，當(dāng)電壓的輸出值較低減少變壓器高壓側(cè)繞組的匝數(shù)。相應(yīng)的調(diào)控過(guò)程為SC4→SC3→SC1;2.如果SCR1處于截止?fàn)顟B(tài)，則繼續(xù)執(zhí)行開(kāi)關(guān)切換程序，否則立即退回?cái)?shù)據(jù)采集程序;3.檢測(cè)電壓過(guò)零并觸發(fā)可控硅2;4.檢測(cè)SCR3的工作狀態(tài)，若開(kāi)啟，則切斷并使SCR1延時(shí)觸發(fā)開(kāi)啟，關(guān)閉SCR2并延時(shí)一段時(shí)間，開(kāi)關(guān)調(diào)整完畢;否則，將SCR4斷開(kāi)并且延遲一段時(shí)間、觸發(fā)SCR3、關(guān)閉SCR2并返回初始狀態(tài)。4.4晶閘管觸發(fā)子程序由于采用的晶閘管是單相式的，而采用的變壓器分接開(kāi)關(guān)是三相式的。所以當(dāng)分接開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)候，為了使三相觸發(fā)脈沖之間保持同步的狀態(tài)，需要使用分相觸發(fā)的方式，與此同時(shí)使用本身的延時(shí)程序完成自動(dòng)切換三相之間的分接開(kāi)關(guān)，確保有載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)能夠平穩(wěn)高效地自動(dòng)控制分接頭轉(zhuǎn)換。圖4-4分接開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換子程序流程圖使用SCR1~SCR3舉例，三相觸發(fā)導(dǎo)通對(duì)比電源電壓的關(guān)系如圖4-5所示?？梢钥闯?這個(gè)子程序只需要一個(gè)階段交流電壓零交叉點(diǎn),與其余別的階段可以對(duì)比計(jì)算延遲觸發(fā)時(shí)間依據(jù)不變的各相之間的關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能的抽頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng),具體的觸發(fā)子程序流程圖如圖4-6所示。圖4-5SCR1導(dǎo)通向SCR3導(dǎo)通轉(zhuǎn)換過(guò)程中的分相觸發(fā)時(shí)序圖圖4-6晶閘管反并聯(lián)觸發(fā)子程序流程圖5采用蓄電池作為啟動(dòng)構(gòu)控制端所需的電壓在有載分接開(kāi)關(guān)系統(tǒng)處于平穩(wěn)高效的工作狀態(tài)時(shí)由二次側(cè)的A相提供，可保證其正常運(yùn)行。但是，當(dāng)把變壓器從停止運(yùn)行狀態(tài)重新開(kāi)啟時(shí)，其二次側(cè)的電壓值變得很低，無(wú)法為控制器供應(yīng)穩(wěn)定的電源，使其無(wú)法運(yùn)行，正因?yàn)槿绱朔纸娱_(kāi)關(guān)一直關(guān)斷并保持。想要處理控制機(jī)構(gòu)在變壓器開(kāi)始運(yùn)行之前的供電問(wèn)題，供電系統(tǒng)使用蓄電池持續(xù)可靠的控制分接開(kāi)關(guān)的平穩(wěn)開(kāi)關(guān)。變壓器二次側(cè)的整流、濾波和穩(wěn)壓電路在系統(tǒng)平穩(wěn)工作時(shí)向控制板供電，并且可以給蓄電池補(bǔ)充電能，使其持續(xù)工作下去;當(dāng)二次側(cè)的電壓降至固定范圍時(shí)，改為蓄電池為其提供電能，保證控制機(jī)構(gòu)平穩(wěn)高效的運(yùn)行。它的充電電源可以通過(guò)圖5-1所示的電路實(shí)現(xiàn)。圖5-1蓄電池電路6實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析使用STC89C51單片機(jī)組建的控制系統(tǒng)搭載示波器SC以及白熾燈L硬件，做成了一個(gè)簡(jiǎn)單的觸發(fā)電路試驗(yàn)電路，以此來(lái)測(cè)試可控硅的過(guò)零觸發(fā)電路能否可靠地驅(qū)動(dòng)反并聯(lián)可控硅。在啟動(dòng)電路時(shí)，為了更直觀地驗(yàn)證可控硅能否被驅(qū)動(dòng)，需要我們觀察白熾燈的開(kāi)關(guān)和示波器SC的波型，接線(xiàn)圖如圖6-1所示。圖6-1觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)接線(xiàn)圖將白熾燈L和示波器SC并聯(lián)在可控硅和220V電網(wǎng)之間，在MOC3061接收到微型控制單元發(fā)送的指令時(shí)，紅外光晶體管發(fā)出紅外光進(jìn)而去驅(qū)動(dòng)MOC3061內(nèi)的光敏雙向晶閘管，然后發(fā)送指令去驅(qū)動(dòng)可控硅，可控硅進(jìn)入工作狀態(tài)，因此，白熾燈由于有電壓施加在其兩側(cè)變亮，同時(shí)，在示波器上觀察到正弦波，圖6-2展示的那樣。根據(jù)最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以看到可控硅被穩(wěn)定觸發(fā)，也證明了我們?cè)O(shè)計(jì)的基于MOC3061觸發(fā)電路的可行性。圖6-2觸發(fā)電路實(shí)驗(yàn)波形可以從以上試驗(yàn)結(jié)果得出，本次所設(shè)計(jì)的反并聯(lián)可控硅元件完全可以由MOC3061芯片驅(qū)動(dòng)并工作，因此我們可以利用微型控制系統(tǒng)的外設(shè)電路來(lái)完成本次設(shè)計(jì)。7結(jié)論通過(guò)查閱了大量的參考文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容，最終確定了使用微型控制系STC89C51和反并聯(lián)可控硅的組合來(lái)完成對(duì)變壓器有載分接開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)。根據(jù)搭載的簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái)，做了大量試驗(yàn)，最終確定了此次的可以穩(wěn)定可靠的調(diào)節(jié)抽頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)。細(xì)則如下：1.曾經(jīng)也考慮過(guò)選擇其他器件作為本次設(shè)計(jì)的有載分接開(kāi)關(guān)，比如交流過(guò)零型固態(tài)繼電器，其實(shí)內(nèi)部就是雙向可控硅，但是通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)其耐受沖擊電壓的能力明顯不如晶閘管，且當(dāng)SSR過(guò)熱時(shí)，其性能下降嚴(yán)重情況下會(huì)損毀器件。因此，選擇了可控硅反并聯(lián)的組合來(lái)作為有載分接開(kāi)關(guān)。2.通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)了解到使用MOC3061芯片去驅(qū)動(dòng)可控硅具有很多優(yōu)點(diǎn)，這樣的驅(qū)動(dòng)方式可以有效地降低有載分接開(kāi)關(guān)的暫態(tài)浪涌電流和射頻干擾。并且可以使負(fù)載輸出完整而非斷續(xù)的正弦波電壓。3.通過(guò)大量的查閱資料和實(shí)驗(yàn)了解到采用蓄電池電路作為啟動(dòng)機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)高效簡(jiǎn)潔地驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作，適用于變壓器短時(shí)間停電的場(chǎng)合。4.采用STC89C51微型控制系統(tǒng)作為有載分接開(kāi)關(guān)的中心部件，設(shè)計(jì)的電壓過(guò)零檢測(cè)電路實(shí)時(shí)對(duì)降壓變壓器進(jìn)行電壓檢測(cè)，如果電壓過(guò)零則觸發(fā)中斷服務(wù)子程序，然后可控硅被觸發(fā)型號(hào)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入工作狀態(tài)，平穩(wěn)高效進(jìn)行轉(zhuǎn)換分接開(kāi)關(guān)，從而完成自動(dòng)穩(wěn)壓功能。5.通過(guò)查閱資料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了反向并聯(lián)晶閘管有載分接開(kāi)關(guān)的可行性和實(shí)用價(jià)值。指出了目前階段存在的有載分接開(kāi)關(guān)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于可控硅的有載分接開(kāi)關(guān)。這種方法雖然緩解了有載分接開(kāi)關(guān)耐壓能力低的缺點(diǎn)，但增大了分接開(kāi)關(guān)的體積，接下來(lái)需要我們考慮怎樣使體積變得輕盈。參考文獻(xiàn)[1]黃俊杰，李曉明.電力電子有載調(diào)壓裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J],電力自動(dòng)化設(shè)備，2003，10～11.[2]陳迎松，馮凱.基于單片機(jī)控制的有載調(diào)壓裝置[J],電氣時(shí)代，2006,7～9.[3]朱志瑩，孫玉坤，阮浩.無(wú)觸點(diǎn)無(wú)級(jí)有載調(diào)壓裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]，變壓器，2008,9.[4]張品秀.基于晶閘管的有載自動(dòng)調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)的研究[J]，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文，2009，10～37.[5]王金麗.配電變壓器無(wú)弧有載調(diào)壓技術(shù)研究[J]，中國(guó)電力科學(xué)研究院碩士論文，2006，4～7.[6]刁永鋒，王德生.1994.單片機(jī)控制雙向晶閘管三相調(diào)壓接口設(shè)計(jì)[J],四川師范學(xué)院學(xué)報(bào),1994,15(4):360~363.[7]劉紅玲，秦敬輝.X5043/X5045及其應(yīng)用[J],彭城職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,18(2):18~22.[8]姜偉光，郝磊.X5045電路及其應(yīng)用[J],國(guó)外電子元器件2002,5:48~52.[9]張毅剛，彭喜源等.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)[M],1992,哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,北京，292~295.[10]姚欣.無(wú)觸點(diǎn)有載自動(dòng)調(diào)壓配電變壓器的研究[J],東北農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士論文,2006,21.[11]余志勇，李忠義.晶閘管交流調(diào)壓器觸發(fā)電路分析與設(shè)計(jì)[J],電力電子技術(shù)，1998,1:1~6.[12]蘇澤光，李頸松，徐祖華.基于電力電子技術(shù)新型分接開(kāi)關(guān)的發(fā)展[J],電氣應(yīng)用，2005,24(4):43~46.[13]王金麗，馬釗，潘旭，等.配電變壓器有載調(diào)壓技術(shù)[J].中國(guó)電力，2018，51（5）：75-79，100.[14]江友華，顧勝堅(jiān)，方勇.電力電子技術(shù)在有載調(diào)壓變壓器中的應(yīng)用[J],電力建設(shè)，2006,27(12):75~77.[15]王榕生.基于交流電機(jī)負(fù)載雙向晶閘管判斷電壓暫態(tài)研究及緩沖電路參數(shù)優(yōu)化[J],福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,3