电子恩施变压器拓扑结构与阻抗变换分析

电子恩施变压器拓扑结构与阻抗变换分析 1 引言 恩施变压器按其特性可分为固定恩施变压器和可变恩施变压器。随着系统的发展，在很多场合都希望恩施变压器的电抗值能够实时调节。 可变恩施变压器经历了从机械式到电磁式，再到电子式的发展过程。机械式可调恩施变压器结构简单，线性度好，但不能实现电感的平滑调节，目前应用较少。电磁式可变恩施变压器通过改变铁心的磁阻来改变电感。磁阻大，则电感小；反之，磁阻小，则电感大。电磁式可变恩施变压器制造工艺简单，成本较低，在限制过电压、补偿无功功率等方面应用潜力大。其主要缺点是响应时间长，振动和噪声较大。电子恩施变压器是近年来研究和开发出来的一种新型可变恩施变压器，它采用电磁技术、电子技术、控制技术、计算机技术等，可实现阻抗值的连续无级可调。典型代表有晶闸管式恩施变压器、IGBT式[cityna变压器厂me]变压器。 这里主要研究晶闸管式电子恩施变压器，它结合了传统机械式恩施变压器和电磁式恩施变压器的优点，对传统恩施变压器进行改进，可实现电抗值的连续无级可调，且高次谐波较小。2 电子恩施变压器结构 传统的机械式恩施变压器结构如图1所示。采用调节分接头式的方式来改变恩施变压器的电感，仅能实现阻抗的有级变换。这里所述的电子恩施变压器将传统恩施变压器与电子技术相结合，其结构如图2所示。 对比图1，2知，电子恩施变压器将传统恩施变压器的单边绕组结构设计成双边绕组结构，其初级绕组与负载、电网串接、次级绕组与电子阻抗变换器相接，通过阻抗变换控制器控制电子阻抗变换器的工作状态，调节电抗变换器次级绕组的电流与阻抗，改变电抗变换器初级绕组的电流和阻抗，实现恩施变压器的阻抗变换。3 电子恩施变压器拓扑结构 电子恩施变压器是一种较典型的可变恩施变压器。三组两两反的晶闸管构成电子阻抗变换器，通过控制晶闸管的导通角就可控制恩施变压器的等效阻抗值。其拓扑结构如图3所示。其一相的等效电路模型如图4所示。 文献已经详细推导了电子恩施变压器的阻抗变换原理。晶闸管控制角α与电子恩施变压器次级绕组ax端等效阻抗之间的关系为： 当α=0°时，晶闸管全导通，电子恩施变压器次级绕组相当于短路，电流最大，初级绕组电流最大，此时电子恩施变压器初级绕组阻抗最小。 当α=180°时，晶闸管关断，电子恩施变压器二次绕组相当于开路，电流最小，初级绕组电流最小，此时电子恩施变压器初级绕组阻抗最大。 当α在0°～180°之间时，电子恩施变压器初级绕组阻抗介于最大值与最小值之间，且连续可调。4 建模与阻抗变换分析 在Matlab／Simulink中，利用电气模块PSB对三相电子恩施变压器进行建模与阻抗变换分析。三相电子恩施变压器仿真模型包括：三相电源模块、三相可变恩施变压器模块、三相晶闸管阻抗变换模块、脉冲触发器模块、负载模块等。 设置电源参数：电压峰值为，频率为50 Hz；电子电抗变换器功率：Pn=107VA，fn=50Hz；初级线圈参数：U1=104V，R1=2 mΩ，L1=0．05H；次级线圈参数：U2=25×105V，R2=2 mΩ，L2=0．05 H；磁阻Rm=200 Ω；励磁电感Lm=200 H。晶闸管参数使用默认值。设置Series RLC Branch的参数：R=100 Ω，L=0．05 H；C为inf，此时负载为感性负载。改变α得到仿真数据，根据此数据可描点绘出感性负载时α与电子恩施变压器的阻抗模值Z的关系图，如图5所示。 由图5可见，随着α的增大，电子恩施变压器初级绕组电压增大，电流减小，初级绕组阻抗增大，即电子恩施变压器阻抗随α的增大而增大。这与第3节中理论分析完全一致。5 电子恩施变压器的应用及实验5．1 电子恩施变压器式软起动器构建 软起动器结构图如图6所示。电机起动时，首先合上K1，电子恩施变压器初级绕组与电机、电网串接。根据阻抗变换原理，阻抗变换控制器通过改变电子阻抗变换器中晶闸管的触发角，来改变电子恩施变压器初级绕组的阻抗。随着该阻抗从大到小减小，加在电机上的电压由小逐渐增大，电机转速逐渐上升，当接近额定转速时，合上K2，断开K1，软起动结束，电机以额定转速运行。
5．2 软起动实 实验对象为Y90S-4型三相绕线电机，其额定功率1．1 kW，定子Y型连接，额定电压380 V，额定电流2．7 A，频率50 Hz，额定转速1 390 r·min-1，功率因数为0．78。为验证电子恩施变压器在电机软起动中的应用效果，进行了电机全压直接起动和带电子恩施变压器软起动两种实验。 电机空载全压直接起动：直接合上K2，电机全压直接起动，起动电流波形如图7a所示。图中，电机全压直接起动时，起动过程很短，最大起动冲击电流为13．7 A，为额定电流的5．1倍；带电子恩施变压器软起动：合上K1，电机带电子恩施变压器软起动，起动电流波形如图7b所示。 电机带电子恩施变压器起动时，起动过程明显延长了，电机平滑地起动，最大起动冲击电流为7．1 A，为额定电流的2．6倍。对比图7a，b可见，与全压直接起动相比，带电子恩施变压器软起动能减小电机起动电流，达到保护电机及减小电机起动对电网影响的目的。6 结论 电子恩施变压器的结构是对传统机械式可变恩施变压器结构的创新，这种结构具有高压与隔离、无源阻抗变换、对元器件的耐压要求低、阻抗无极调节等优点。已成功运用于高压电机软起动、静止无功补偿器、动态谐波抑制、风机水泵的调速等方面，具有广阔的应用价值。