CN104793675A - 一种无触点稳压装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种无触点稳压装置，用于改善用户电压质量，涉及电力领域，尤其是电压质量优化装置。现有稳压器有如下几方面缺点：①存在碳刷易磨损，更换频繁；②反应速度慢，影响设备使用安全；③采取三相一体式调整，三相平衡问题不能解决。本发明采用可控硅调挡技术，由电力电子器件代替机械部分：①彻底从结构上解决碳刷磨损的问题和刚开机时电压过高或过低的问题；②采用单片机作为主控芯片，控制可控硅的导通与截止，反应速度快，效率高，安全性能好；③采用三相分调的结构，可单独分相的对某相电压进行调整，可解决输入不平衡导致的输出不平衡问题。

Description

一种无触点稳压装置

一、技术领域

本发明涉及电力领域，尤其涉及电力质量优化装置。

二、背景技术

随着科技的发展，用电设备与日俱增，但电力输配设施老化和发展滞后，以及设计不良和供电不足等原因造成末端用户的电压过低，而线头用户则电压经常偏高，用电设备特别是对电压要求严格的高新科技和精密仪器，时刻面临着危险，而供电电网的各式各样的负载，对电网本身会造成一定的影响，影响负载的工作。

针对上述情况，稳压器应运而生，大致可以分为以下几种：

1、铁磁谐振式交流稳压器：利用饱和扼流圈和相应的电容器组合后具有恒压伏安特性而制成的交流稳压装置。磁饱和式是这种稳压器的早期典型结构。它结构简单，制造方便，输入电压允许变化范围宽，工作可靠，过载能力较强。但波形失真较大，稳定度不高。

2、磁放大器式交流稳压器：将磁放大器和自耦变压器串联起来，利用电子线路改变磁放大器的阻抗以稳定输出电压的装置。其电路形式可以是线性放大，也可以是脉宽调制等。这类稳压器带有反馈控制的闭环***，所以稳定度高，输出波形好。但因采用惯性较大的磁放大器，故恢复时间较长。又因采用自耦方式，所以抗干扰能力较差。

3、滑动式交流稳压器：用改变变压器滑动接点位置，使输出电压获得稳定的装置，即是用伺服电机驱动的自动调压式交流稳压器。这类稳压器效率高，输出电压波形好，对负载性质无特殊要求。但稳定度较低，恢复时间较长。

三、发明内容

传统稳压器虽然具有结构简单、成本较低等优点，但其缺点也不容忽视，有如下缺点：

①：滑动式交流稳压器的调压原理是利用碳刷接触环形变压器絧线表面滑动来改变匝数比的，所以在使用过程中经常会出现碳刷磨损的情况，②：反应速度慢、稳压精度低、稳定性差，在输入电压波动很大的时候，经常会出现输出电压过高或过低的情况，影响设备的使用安全。③：刚开机时稳压器运行的是上一次关机时的状态，存在刚开机时电压过高或过低的问题。④：不能解决因三相输入电压不平衡导致的输出电压不平衡的问题⑤：保护功能不足等等，这些都制约着传统稳压器的发展。

为解决上述问题，开发了无触点稳压节电技术。

无触点稳压技术与传统稳压器的区别在与采用了电力电子器件，在现代电源领域，要保证电源装置能够做到精密的控制和可靠的运行，必须采用电力电子技术，在装置中使用电力半导体器件(可控硅)，电力半导体器件具有效率高，控制性能好、体积小、重量轻、使用可靠等许多优点，因此，采用电力电子技术对稳压器进行升级换代，是大功率稳压器件的主要发展方向。

无触点稳压器分为一次电路和控制电路两部分组成。一次电路由调压变压器、补偿变压器和可控硅组成，控制部分主要以主控制器和触发板组成的控制电路组成。一次电路中，调压变压器的一次绕组接成Y型，连接在稳压器的输出端，二次绕组连接在补偿器的一次绕组，补偿器的二次绕组连接在主回路中，通过控制可控硅的导通与关断，来改变调压器的匝数，从而改变补偿电压的大小与极性，进而控制输出电压的大小。与传统机械型稳压器比较有如下优点：

1、无触点稳压器从结构上根本解决了碳刷式稳压器的碳刷需经常更换的情况，机械补偿型稳压器80％的故障来自于机械故障和碳刷磨损。设备使用寿命和安全得到很大的提高

2、补偿范围更广，效率更高，过载能力强，精度高，补偿范围可达±20％，效率可达99％，精度可达1％。

四、附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。

图1：一次电路原理图

图2：整体硬件框图

图3：控制逻辑框图

图4：主控制器硬件框图

图5：触发板硬件框图

五、具体实施方式

原理介绍：本发明分一次电路和控制电路两部分组成

图1为A相的可控硅与调压变压器、补偿变压器的接法，其他两相的接法和此类似，图中T1代表补偿变压器，T2代表调压变压器、S1～S8为可控硅。调压变压器的一次绕组接成Y型，连接在稳压器的输出端，二次绕组连接在补偿器的一次绕组，补偿器的二次绕组连接在主回路中，现在以A相为例说明无触点稳压器的工作原理。UO＝Ui+ΔU，式中UO为输出电压，Ui为输入电压，ΔU为稳压器A相的补偿电压。当A相电压Ui增加ΔUi时，补偿电压也会相应改变ΔU，且ΔU≈-ΔUi，使A相输出电压UO保持不变，从而保持电压稳定。即当前输入电压大于预定稳压精度的上限时，补偿器提供负补偿，使得输出电压下降至符合预定精度的电压范围内，如果同输入电压小于预定稳压精度的上限时，补偿器提供正补偿，使得输出电压上升至符合预定精度的电压范围内，当输入电压在预定稳压精度的范围内时，补偿器无需提供补偿，选择直通档即可。同理BC相也是如此。

本产品采用此种结构，通过控制双向可控硅(S1)的通断，来切换调压变压器(T2)的抽头，从而补偿电压的大小与极性，这就可以在补偿变压器(T2)的低压侧得到大小和方向都可以改变的补偿电压，这个电压会和输入端提供的电压进行矢量叠加，使输出电压稳定在设定的电压点上，达到稳定输出电压的作用。

可控硅导通的选择：可控硅通过两两组合得到不同的补偿电压，代表不同的档位，图中可控硅S1、S3、S5、S7不能同时导通，可控硅S2、S4、S6、S8不能同时导通，如果导通将导致调压器的电压直接加在可控硅的两端，由于可控硅的内阻很小，可控硅两端将承受很大的电流，导致可控硅烧毁，S1和S2或S3和S4或S5和S6或S7和S8导通则为直通，直通后输入电压近似为输出电压，类似旁路运行。通过计算，可以得出可控硅两两组合得到的补偿电压，在通过优化选择当输入电压在哪个范围选择哪两个可控硅导通可以的到合适的输出电压，保证输出的精度在预定的范围内。由此得出一个档位与输入电压对应表。控制电路将以此为根据，调节相应可控硅的导通与截止。

采用这种方式的优点如下：

1、这种结构可以实现对ABC三相的分相控制，比起传统的稳压器的好处在于可以解决三相之间的不平衡度，即使在现场环境中由于某些原因导致三相电压的不平衡，通过稳压器也可以纠正过来，对电机等其他设备有着很好的保护作用。

2、由于可控硅不在主回路中，正常运行时可控硅通过的电流远比负载通过的电流要小，所以器件的容量系数可从容选择，工作时发热也要小的多，可控硅能长期工作，同时稳压器容量也可以做的很大。

3、由于采用自藕变压器抽头分级调压，即降低了双向可控硅的通断电压，(加在可控硅两端的电压在200V以下，某些档位只有20V)又能抑制换挡时产生的浪涌电流(自藕变压器本身就是一个大功率的电抗器)，因而大大提高了双向可控硅的工作可靠性。

控制部分介绍：

该无触点稳压器分为输入电压采样、输出电压采样、MCU主控单元、可控硅动作矩阵、调压器匝数控制、补偿器电压与极性控制和保护电路七大部分组成。

设备采用三相分调技术，三相工作独立，可对每一相的电压进行稳压调节，这样能够更好的保证输出的精度和平衡度。下面以A相为例介绍其控制过程：

图2所示的是整体硬件框图，其中：

①：输入电压采样单元②：MCU控制单元③：可控硅矩阵动作单元④：调压器匝数控制单元⑤：补偿器电压与极性控制单元⑥：输出电压采样单元⑦：保护电路

控制流程图如图3所示

下面讲述触点稳压技术的调压过程。

输入调挡：

设备开机时通过输入电压采样单元(①)采集输入电压，MCU控制单元(②)读取采集到得输入电压，并分析所要调节的档位，控制可控硅矩阵动作单元(③)作出相应的动作，调压器匝数控制单元(④)通过可控硅的导通被选定，此时，补偿器电压与极性控制单元(⑤)输出补偿电压的大小与极性，此电压与输入电压相加得到输出电压，控制器采集输出电压采样单元(⑥)的电压。如果输出电压达到设计的稳压精度，完成调挡过程，此过程为根据输入电压调档阶段。直到输出电压超出电压设计的稳压精度为止。输出调挡：输出电压采样单元(⑥)的输出电压超出电压设计的稳压精度，MCU控制单元(②)将根据输出电压调挡微调档位，当输出电压超出设计稳压精度的上限时，MCU控制单元(②)作出负补偿的指令，可控硅矩阵动作单元(③)作出相应的动作，从而拉低输出电压；当输出电压低于设计稳压精度的下限时，MCU控制单元(②)作出正补偿的指令，可控硅矩阵动作单元(③)作出相应的动作，从而增加输出电压；

通过上述完整的闭环控制过程，可以得到设计的稳压精度范围。

控制电路是围绕着MCU控制单元设计的，下面介绍此单元的组成结构：

MCU控制单元：包括主控器控制单元、触发板控制单元

主控制器控制单元和触发板控制单元通过RS485通讯协议传递数据

主控制器控制单元硬件框图如图4所示：

主控制器控制单元由主控芯片PIC18F65K80和电力采集芯片ATT7022C组成，输入输出电压通过电压互感器PT2011、输入电流通过HCT215电流互感器将输入输出电压和输入电流转化为可供测量的电压电流信号给ATT7022C，ATT7022C和PIC18F65K80通过SPI接口通讯传递信号。PIC18F65K80将采集的电压电流信号通过分析处理得到相应的挡位信号，然后通过485通讯传递给触发板控制单元，由触发板控制单元导通相应的可控硅。并在液晶屏上显示出来。主控器除上述功能外，还具有以下功能：

1、稳压参考值设定：用户可设定三个时间段内的电压参考值，可使稳压器在不同时段自动运行在不同的稳压值上。

2、自动稳压：控制器通过采集输入电压和输出电压自动调节档位，达到预定的稳压精度范围

3、手动调挡：控制器可通过人为设置将稳压器运行在某一档位上，此功能可作为档位测试和异常情况处理时使用。

4、异常保护功能：

电压异常：

当输入不符合调挡范围或输出不符合稳压范围时，采用直通档输出，直通档类似旁路输出，但是采用直通档可不断电，如果直通档异常，可调至另一直通档输出。

温度异常：

当可控硅模块过热时，首先开启风扇冷却，当可控硅模块再超过一定温度时，旁路输出，保证设备的安全。

触发板控制单元硬件框图如图5所示

触发板控制单元MCU由STC系列单片机为主控制芯片，通过485数据接收来自主控制器的档位数据，通过锁存器、译码器控制可控硅的导通与截止，进而完成输出电压的稳定。锁存器：为了提高设备的性能，当单片机因为异常干扰或程序跑飞时导致可控硅全部截止而出现断电的情况，电路中引入了锁存器件，当单片机复位时，锁存器工作，档位数据保持上一次的档位数据，增加设备的抗干扰能力。

译码器：为了防止可控硅S1、S3、S5、S7同时导通或可控硅S2、S4、S6、S8同时导通的情况，电路中引入译码器件，可控硅S1、S3、S5、S7的触发信号连接在一个译码器件上，可控硅S2、S4、S6、S8的触发信号连接在另一个译码器件上。保证可控硅的安全。

可控硅触发电路：采用过零触发光耦，使得换挡时发生的可控硅动作在过零点完成，降低了因换挡时对可控硅的冲击。增加了可控硅的可靠性。

Claims (6)

1.一种无触点稳压装置，包括补偿器、调压器、可控硅、主控器组成。 

其中：调压变压器的一次绕组接成Y型，连接在稳压器的输出端，二次绕组连接在补偿器的一次绕组，补偿器的二次绕组连接在主回路中 。

2.如权利要求1所述的稳压装置，其特征在于，通过控制双向可控硅的通断，来切换调压变压器的抽头，从而补偿电压的大小与极性，这就可以在补偿变压器的低压侧得到大小和方向都可以改变的补偿电压，这个电压会和输入端提供的电压进行矢量叠加，使输出电压稳定在设定的电压点上，达到稳定输出电压的作用。 

3.如权利要求2所述的稳压装置，如果输入的精度达到输出允许的精度范围，可选择直通档输出，直通档不补偿电压，输出电压跟随输入电压。 

4.如权利要求1所述的稳压装置，采用三相分相调压技术，可以解决三相之间的不平衡度，即使在现场环境中由于某些原因导致三相电压的不平衡，通过稳压器也可以纠正过来。 

5.如权利要求1所述的稳压装置，可控硅不在主回路中，正常运行时可控硅通过的电流远比负载通过的电流要小，所以器件的容量系数可从容选择，工作时发热也要小的多，可控硅能长期工作。 

6.如权利要求1所述的稳压装置，由于采用自藕变压器抽头分级调压，即降低了双向可控硅的通断电压，(加在可控硅两端的电压在200V以下，某些档位只有20V)又能抑制换挡时产生的浪涌电流(自藕变压器本身就是一个大功率的电抗器)，因而大大提高了双向可控硅的工作可靠性。