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晶闸管辅助机械开关式变压器有载调压策略的研究与分析
摘要: 电力系统运行过程中负载发生变化会导致系统电压波动，为保障系统电压质量，确保电力系统运行的可靠性不可避免的要进行电压调整。而常规的有载调压开关在动作时速度慢，机械部分容易磨损，且容易产生电弧，为了解决这些问题，本文吸取了变压器有载调压的一些技术经验，总结出晶闸管和机械开关相结合的变压器无弧智能有载调压方案。该方案充分利用机械开关的优点，自动选择合适相位控制导通晶闸管，避免电弧的产生，从而最终达到系统无弧调压的目的。 关键词：电力变压器；有载调压；无弧；晶闸管
一 概述。
变压器有载调压主要是通过有载分接开关在运行状态下调整变压器分接头，从而达到电压调整的目的。但是传统的机械式有载调压开关存在速度慢、易拉弧、故障率高等诸多缺陷。各国在其基础上研制出多种改进型方案，主要有机械式改进型、辅助线圈型、电力电子开关型。但以上三种形式依旧存在很大缺陷，如机械改进型的调节速度慢，辅助线圈型产生谐波含量大，电力电子开关型经济性差，且晶闸管失控易造成原件损坏。本文结合了现有的变压器有载调压的方法，提出了晶闸管辅助机械开关的变压器有载调压新方法，具有一定的实践意义。[1]
二 调压方案设计。
1.主回路设计。
本文以变比为380V/220V，触头为±2*2.5%Un的变压器为例。有载调压方案的单相电路图如图2-1所示。其主要由变压器、三组反并联的晶闸管、机械开关和限流电阻构成。
图2-1 变压器有载调压单相回路电路图
图中S1、S2是机械式开关，S3是反并联的晶闸管开关。以1触头支路为例。正常工作时开关状态为：
支路导通时：S1闭合，S2打开，S3不导通；
支路开路时：S1打开，S2打开，S3不导通；
电压调整的开关动作顺序为：首先S2闭合，然后控制开关S3导通，打开S1，当晶闸管过零时S3自动关断，然后打开S2，完成回路的无弧切断。当S1和S2都处于开路状态时，首先使S2闭合，然后控制开关S3导通，之后S1闭合，当晶闸管过零时S3自动关断，最后打开S2，完成回路的无弧接通。
2控制电路设计。
控制回路的原件选取为：主控制芯片选择80C196MC，并选取MOC3083、54LS138、54LS139、CD4501和存储芯片配合形成硬件系统。控制回路的电路图如2-2所示。具体方案如下：
1) 通过80C196MC的A/D转化功能进行信号采集，并利用其编程功能实现，当输入电压和设定电压相等时发出中断请求。
2) 由80C196MC进行数据处理和任务分配。P0口完成数据从采集和转换；P2口工作方式为EPA，由一个管脚检测过零同步信号，完成周期测量模块的启动；P3、P4是存储器的输入输出接口；P5发出控制信号，用来设定总线的宽度、输出存储器的信号及地址锁存使能等命令；P6作为输入输出口，完成控制信号的输出。控制中心通过各部分组合完成整个功能。
3) 硬件逻辑所有控制都由80C196MC完成，并且外围电路的输入信号都经过安全栅隔离之后进入单片机。
图2-2 控制回路电路图
三 交流信号的采样策略。
1.正弦函数的周期模型算法。
正弦函数的周期模型算法主要包括最大值法、单点法、半周期法、半周期积分法和两点采样法等。由于最大值法和单点法的误差较大，而半周期法的响应速度较慢，因此本文采用两点采样法并取平均值进行计算。[2]具体方法为：
间隔90°对所要采样的电压电流信号取两组值。
设
则有
同理
2.交流采样的非同步问题
电网频率和采样频率不严格同步会导致非同步误差的产生，减小误差的方法主要有同步技术和准同步技术。本文主要对硬件和软件同步技术进行讨论。硬件同步主要是通过锁相环到达信号频率和采样频率同步的目的。锁相环主要由三部分组成：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器。鉴相器的作用是比较输入信号和压控振荡器的相位，并生成与两个信号对应的相位差信号，并通过环路滤波器去除干扰信号。实际应用中通常会把采样信号的基频进行倍频处理后作为基准时钟，然后进行分频处理以提高信号的实时性。软件同步的原理是，首先将输入信号进行滤波，消除基频以外的谐波信号，然后通过过零比较器把正弦波信号转化为方波，在通过锐化环节把方波的上升下降沿锐化，送交CPU处理，两次上升沿之间的时间就是信号周期。[3]而准同步技术是通过增加采样点，通过增加采样点和采样周期的方式减小同步误差。
四控制电路设计。
1.锁相倍频电路。
我国工频电压是50HZ，但由于用电负荷的不平衡会导致频率的波动，一旦信号采样过程中采用固定步长的方式，则会造成单个周期内采样点的起始时间和采样数量产生不同，导致栅栏效应和频谱泄露的现象发生，造成信号分析误差的出现。本文针对这一情况，为跟随系统波动设计了锁相倍频电路，同时参考采样点数对系统频率进行倍频处理，以供采样电路使用。采用触发信号电路如下图所示：
图4-1 采样触发信号发生电路
采样数据精度的关键在于采样触发信号电路。触发信号在锁相倍频时，会由于电网电压信号的过零扰动产生很大误差。为了防止扰动的影响，本系统的触发采样信号采用A相，进过带通滤波器滤波，衰减干扰信号，然后经过具有迟滞比较功能的比较器，使信号在大于过零点跳变。由于采样只要求采样的周期性，因此迟滞不会对采样结果造成影响。
锁相环和计数器构成锁相倍频电路，如4-2所示。计数器的作用是分频，把锁相环压控振荡器的输出信号分频后传到引脚3。锁相器的作用是产生和输入信号相位差成比例的电压信号，从而实现对比骄傲输入信号频率的控制，达到信号频率同步的目的。因此锁相环可以通过检测输入信号相位差，来实现压控振荡器频率的调节。[4]
图4-2 锁相倍频电路
2.信号采样电路和晶闸管触发电路。
系统应用霍尔元件对副边电压电流信号进行采集，采集信号经滤波后输入信号调理电路，如图4-3。晶闸管触发电路可直接使用具有过零检测功能的MOC3083芯片构成。
图4-3 信号调理电路
3.系统信号输出电路。
多重译码是该方案输出电路的输出方式。为判别调压相，系统三相应用译码器54LS139进行译码；为确定六类信号，每相应用一个54LS138译码；为判别调压抽头，每相用六个CD4501进行译码。输出电路主要包括：译码部分、电源部分和抗干扰部分。电源部分包括+5V和±15V两个可调直流电源。抗干扰部分主起稳定电压和抑制瞬时尖峰的作用。
五系统程序结构设计。
系统程序主要包括主程序、信号采样及处理子程序、参数超限保护子程序、时间延时子程序、采样周期计算子程序、定时器溢出子程序、系统输出控制子程序。其中，主程序主要负责系统参数初始化、主要的逻辑控制和计算、调用子程序等；系统的运行周期、采样时间的计算以及对应的时间寄存器赋值都由采样周期计算子程序完成；系统的主要功能由信号采样及处理子程序完成；频率检测及追踪以及校正有关数据采集和计算操作由定时中断程序完成；确保动作的快速只想能够和开关的动作完成依靠时间延时子程序实现；过电压和过电流以及变压器调压范围控制等保护动作通过参数超限保护子程序完成；系统动作命令的输出执行由系统输出控制子程序完成。主程序流程如下所示：
图5-1 系统主程序流程图
六结论
本文通过对国内外变压器有载调压技术的分析和消化，通过对电力电子技术和计算机技术的应用，设计了针对晶闸管辅助机械开关变压器有载调压技术的操作电路和软件流程。该方法对常规有载调压方案的不足进行了有效的补充和弥补，软件上对功能进行模块化划分形成多个子程序，优化了算法和系统参数的设定，快速、准确的实现了系统功能。在实际工作中变压器的无弧有载调压可能会面临更多新的问题，这就要求我们不断的探索和发现。随着技术的不断发展和进步，变压器无弧调压技术必定会有更加长足的发展。
参考文献：
[1] 万凯，刘会金.晶闸管辅助机械开关无弧有载调压技术.继电器, 2002,30 (11)：5～9
[2] 张红，王诚梅.电力系统常用交流采样方法比较.华北电力技术，1999，4：25～27
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