原创 基于单片机控制的有载调压装置设计

摘要：该系统采用晶闸管组替代分接头调压开关，单片机作为控制单元，通过检测系统电压和电流，确定需要接通或断开变压器调压绕组的组数和分接头开关位置，然后根据电磁能量守恒原理在对电网无冲击的时刻触发相应的晶闸管开关。使调压过程中电压波形连续无冲击，为用户提供高质量的电能。 电子园51单片机学习网8[d b!H#zp$L
关键词：有载调压；晶闸管；自动控制
@a3p8}1ZhN#C-Z44606电子园51单片机学习网!b${R?+f-Q&R:W

K/gy"uqLY446060 引言

作为电压控制的一种方法，有载调压变压器的使用有60多年了 。然而绝大多数的分接开关仍采用放置在油箱中的机械开关方式。有载分接开关在变压器带负荷状态下切换分接开关位置，是通过机械开关接通或断开某一分接头，而由限流电抗器或变阻器限制绕组的电流，防止分接头在切换过程中由于绕组短路或断开引起停电^［1］。这种方法主要存在调节速度慢、机械触头间产生电弧使变压器绝缘油极化、在切空载变压器时会产生较高的过电压等缺陷。

&Z,B$K8rn&o"@44606采用有载调压，具有降低电网环流，防止非预期无功功率交换，降低并列运行线路的损耗，改善电网功率潮流、提高供电可靠性等优点，因此有载调压变压器在电力系统网中广泛使用。而且，有载调压变压器与电抗器和电容器组合可构成可靠灵活的交流输电元件^［2］。

20世纪80年代开始在一些发达国家使用的无弧有载调压装置，全部采用晶闸管作开关器件代替主电路中的交流机械分接开关的无触点开关，采用微机控制进行调压。晶闸管和微机组成的无触点开关，可以使电路的通/断控制达到毫秒级，因此调节速度快，如果控制方式得当，可消除电弧。另外，由于没有机械磨损，延长了变压器的使用寿命。无触点开关为变压器有载调压系统结构的发展提出了新的方向。

sT/|R#V4bz:~44606本文提出一种基于晶闸管与单片机控制技术的无冲击有载调压装置控制系统。该系统用电力电子开关替代机械开关，根据系统的实际运行情况，在电磁能量守恒的前提下，迅速自动进行分接头调节，实现无冲击有载调压。以35/10.5KV双绕组有载调压降压变压器为例加以说明。

1有载调压装置工作原理电子园51单片机学习网I ].Z:o0k Of/|/L

1.1 基本结构电子园51单片机学习网O*iU^!{c2SV(H^

ZI,Wp,C(i0i|M4460635/10.5KV双绕组有载调压降压变压器一般采用Y/△—11联结组别。调压绕组抽头的抽取方式采用中部抽头方式，其目的是可以使短路时磁通分布均匀，避免绕组端部调压时可能造成电动力分布的畸变。而且，调压绕组及其调压器件对地电压较低。电子园51单片机学习网e!V&S*_0ngw {m)@k

电力电子有载调压分接开关的主回路如图1所示A相主电路，图1仅为一相主电路，实际电路应为三相，三相主电路相同。35KV电压等级有载调压变压器，调压范围一般为-5%～+10%，如果一次调压幅度定为1.25%，则应有14个分接头。在图1中仅画出了6个分接头。电路采用两组电力电子开关分接头（U₁，U₃，X₂和U₂，U₁，X₃）经过渡电阻R和过渡电力电子开关A₀连接的调压电路。每一个分接头上都有一对反向并联的晶闸管与其相连，变压器绕组与分接头相对应。图1中的R₁和C₁是防止晶闸管误导通的保护电路；电阻R₀和机械开关QF_x用于限制变压器的合闸涌流和电力电子开关均压，防止电力电子开关在变压器的断路器合闸时承受耐压水平的电压而击穿。图中R为限流电阻，以保证在分接开关切换的过程中不发生分接绕组间的直接短路。要使有载调压变压器具有较好的调压性能，就要求在分接开关切换时相应各开关协调工作。电子园51单片机学习网9HA$P#D+Uj2t(I3e4\#E~W

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图1 A相主电路电子园51单片机学习网*su/X \P`

Fig.1 The main circuit of phase A电子园51单片机学习网XW"n1Fy4U

1.2分接头调压过程

以变压器正常工作时A相电路为例说明分电力电子分接头调压过程。电子园51单片机学习网6FcMG/_;SYJv

-l[{+C6[&H3U%M9k44606表1为变压器调压顺序表。当变压器分接头在n=0时，变压器运行在额定状态；变压器分接头在n=－2时，变压器运行在电网电压最低状态；同理，变压器分接头在n=2时，变压器运行在电网电压的最高状态。表中仅列出了一相的调压顺序，实际运行时三相同时调整。电子园51单片机学习网)Y1qyH9vF

表1 变压器调压顺序表

Tab.1 The sequence of tapping adjustment

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8^^!{;I[ ui44606图1所示A相主电路，设变压器工作在额定电压附近时，变压器的分接头位置代码n=0，晶闸管组U₂—X₂导通，断路器QF_x在变压器投入后处于断开状态。此时二次侧输出的电压也在额定值附近。当原方输入电压减小时，由表1可知，为维持副方电压恒定，变压器分接头需要从n=0调整到n=－1，即由晶闸管组U₂—X₂工作变成由晶闸管组U₃—X₂工作。电子园51单片机学习网/r\}8lfM

要实现上述的调压过程，要求微机不断地发触发命令，依次触发导通晶闸管组。①初始状态晶闸管组U₂，X₂，A₀为导通状态，QF_x，U₁，U₃，X₁，X₃为截止状态，分接头位置n=0，变压器在稳定状态工作。②停止触发晶闸管组A₀，使限流电阻R投入运行。③触发晶闸管组U₃，使n=0和n=－1的两个分接头都投入运行，由于限流电阻的作用，两分接绕组之间没有发生直接短路。④停止触发晶闸管组U₂，使分接头n=0退出运行，变压器运行在分接头n=－1的稳定状态，调压过程结束。

!w0q,N0lj+T44606一个完整的调压过程如上所述，从确定需要变压器调压开始，经过3～4次可靠触发完成调压。如果每次触发脉冲的触发时刻选定在电源电压过零处，可保证一、二次侧电压波形的连续无冲击性。这种调压方式调压的可靠性高、调压过程时间短、绕组发热现象不严重。需要注意的是：当进行多级调压，出现待调分接头在同一组时，为避免出现变压器绕组短路情况，两组分接头需交替调节。电子园51单片机学习网j bC FBDZ0c8bY

1.3变压器合闸涌流的限制电子园51单片机学习网xITWC.XaQa

变压器合闸前绕组连接断路器QF_x处在断开状态，各电力电子开关为截止状态。合闸时先合QF_x，使限制合闸涌流电阻R₀投入（将上、下两绕组连接），后合变压器主断路器QF，使变压器带电。这时QF_x和R₀起两方面的作用：一是减少变压器的合闸涌流；二是给电力电子开关提供均压环境，避免变压器合闸时使电力电子开关承担高于耐压水平的过电压。

U#QC'gol.Q1u44606变压器合闸时二次侧处在最小电压位置，合闸后再根据系统的运行状况，将分接头调至相应的位置，最后断开QF_x。

1.4切除空载变压器过电压的限制

v!cI"sy Z B"E*F r_9^44606变压器切除时，先关闭所有的电力电子开关，变压器的上、下绕组在电流过零点自动断开。这时，变压器一次侧实际上与电源已经断开。然后，断开变压器的主断路器QF和相应的隔离刀闸，使变压器完全与电源脱开。这种方式的操作可以有效地避免有载调压变压器切除时产生的过电压。电子园51单片机学习网*OG;FyI[&N6OZH

.h"j)jnE y ^a|^+z446062 控制系统设计电子园51单片机学习网8c5D&d%Un;`

控制系统是整个有载调压变压器的核心部分，它决定着整个有载调压变压器装置的性能好坏、调压质量的高低，其基本原理是：采用微机作为中心控制单元，实时采样被测控的电压、电流信号，经微机计算处理，与设定值相比较，一旦电压偏离预先设定的范围，控制器就产生一个升或降的命令控制相关的调压分接头（晶闸管）导通。控制系统主要由信号调理及采样保持电路，单片机控制系统，电压过零检测电路，触发电路等部分组成。如图2所示单片机控制系统。电子园51单片机学习网kn#c)p(M^'j${n ]j?

图2 单片机控制系统

Fig.2 The control system based on single-chip processor电子园51单片机学习网wzmzL,Aa&i0H

2.1 单片机控制系统电子园51单片机学习网nT^'xpJ7V0I

该装置以80C196KC单片机为核心器件。它属于MSC-96系列单片机中的一种产品，是CHMOS高性能16位单片机中的一个分支，特别适用于复杂的、实时性要求较高的自动控制系统、数据采集系统、信号处理系统和高级智能仪器等。80C196KC带有A/D转换端口，简化了系统的硬件设计。80C196KC的输出控制线经过光耦器件隔离后，对晶闸管的触发电路进行控制，从而实现控制晶闸管通/断的目的。由于需要控制的晶闸管数目比较多，对这些晶闸管的控制则采用了“一控多”及“选控”的方式。即多个晶闸管共用一个触发电路，在需要对某一晶闸管控制时，通过选控电路把触发脉冲加到该晶闸管的控制端。数据处理用半波傅里叶变换，在前半个周期内采样6个点，每个点采样3次，取中间值为采样值，在后半个周期计算。一次A/D转换的时间仅需要十几微秒，采集速度可以满足要求。根据香农采样定理，采样频率600Hz（半个周期6个点）大于信号最高频率的2倍（100Hz）。因此，采样精度能满足要求。

2.2 信号调理及采样保持电路电子园51单片机学习网7MR)V {$no

如图3所示调理电路。从电力线路上获得的信号数值、输入范围经过调整和变换，输入信号经R₀分压后，与2.5V电位相加，把双极性的交流信号变为单极性单片机可识别的0～5信号^［1］。电子园51单片机学习网I5| cG5r5^

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图3 调理电路原理图电子园51单片机学习网Gn$@GBM

Fig.3 The signal conditioning circuit

n5LPqI3o2iQ ?44606由于系统采用半波傅里叶变换进行信号处理，对信号的频率要求高，因此采用自适应频率采集。即假设信号相邻两个周期的频率变化可忽略，采集前一个周期的时间作为计算后一周期采样时刻的依据。进行多路信号采集时，为保证多路信号的同时性，需要有采样保持电路。当单片机发“保持”指令时，多路信号同时进入保持状态供单片机轮流采集。电子园51单片机学习网_5k @RBI d`}

(K R7SlN]p,}446062.3 检测电路与触发电路

检测电路由三部分组成：检测一次侧电压和电流电路、检测过渡电阻上的电压和电流电路、检测电压和电流过零电路。

5O4A7}a d&y44606触发电路采用光电耦合传输触发信号，脉冲变压器隔离技术。电子园51单片机学习网c!Y%v't'M4|{6m

DH#fxPW N446063 模拟实验仿真

4v7qNhi3| dj ?44606模拟实验仿真如图4所示。

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图4 模拟实验接线图

Fig.4 The simulative test circuit电子园51单片机学习网 E"m;D:W#O8}

:p;t,_:bw6y&YN44606U_i为有载调压变压器的一次侧电压，U₀为有载调压变压器的二次侧电压；QF₁，QF₂为断路开关；K₁，K₂，K₃，K₄为作为调压分接头的正反对晶闸管（表示法如图1）；K₀为构成通道的正反对晶闸管；Z₀为调压限流阻抗；Z₁为初始通道限流阻抗；Z为接在有载调压变压器二次侧的负载。检测与控制电路通过对系统电流电压的监视，确定晶闸管的投切时间。电子园51单片机学习网zw;F'tMI

进行了空载投入变压器、有载调压和变压器退出等实验。结果表明：该装置能很好地完成对任意调压分接头晶闸管对的触发脉冲的选控。对变压器的带负荷调压操作（无论上调或下调）都能不断电的顺利进行，且调节过程的电压波形平滑连续无冲击或畸变现象。电子园51单片机学习网&y)` q9gfn%E

4 结论

[Sv`$e44606本文的创新点主要是利用晶闸管代替传统的机械分接头开关作为有载调压变压器的调压分接头，事实证明，利用该方案进行调压是可行的。适当选择电力电子开关的通断时刻和通断配合，可以完全消除电弧和调压过程中的冲击，对提高电网安全运行水平和电压质量具有重要意义。电子园51单片机学习网2{B"AeC0R V#w3I

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