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1、基于IGBT的无触点自动有载调压配电变压器的研究摘要变压器的自动有载调压是稳定负载电压的最有效方式之一。机械式有触点分接开关由于造价高，性能差不适合配电变压器。本文介绍了应用IGBT作为分接开关的自动有载调压配电变压器的构成，自动有载调压原理，变换分接头过程中环流的产生机理和限流措施以及限制谐波方法。经过理论分析和实验验证，得出了调高电压和调低电压具有不同的环流发展机理以及电力电子元件应用在有载调压中实际上不产生谐波的结论。关键词：IGBT 有载调压 谐波污染 分接开关 AbstractAutomatic on-load voltage regulation of a transformer
2、is an effective method to stabilize load voltage. A machine-contact, tap-changing switch is not adequate for a distributing transformer because of its high cost and low capability. This paper presents the structure and automatic on-load, voltage-regulating principle of a distributing transformer whi
3、ch employs a IGBT as a non-contact, automatic on-load voltage-regulating, tap -changing switch. The generation mechanism and limiting measure of circular current that occur in the process of switching a tap joint and the harmonic suppressing method are also introduced. By theoretical analysis and ex
4、perimental verification, it is concluded that this method has a different process of circular current occur when voltage is regulated to a higher or lower value. It also shown that application of power electronic components in on-load voltage regulation not can generate harmonics. Key words: IGBT，on
5、-load voltage regulation， harmonic pollution ，tap -changing switch 目录摘要IAbstractII目录III1前言12有载调压的意义及国内外发展概况22.1 研究的目的和意义22.2国外发展概况22.3国内发展概况33.IGBT的特点44.无触点有载自动调压配电变压器的主电路及调压过程54.1 无触点有载自动调压配电变压器的主电路54.2改变分接头时调节绕组环流状况的理论分析74 .3根据理论及试验结果提出的设想114.4谐波问题及其解决方法115 IGBT选择及驱动保护电路设计125.1 IGBT的选择125.2驱动电路保护1
6、26 单片机控制系统的总体设计146.1 DSP芯片的选择及硬件电路的设计146.1.1 DSP的选择146.1.2 A/D转换器的选择146.1.3 硬件电路的设计156.2 系统的软件设计157结论17参考文献18致谢191前言变压器的有载自动调压是稳定系统电压的最有效的措施之一，目前人们通常采用机械式有触点式自动分接开关。这种开关改变分接头时因产生电弧必须安装在独立的油箱中，且不适合频繁操作。Cooke G H采用晶闸管作为辅助开关的有载调压分接开关 ，解决了切换分接头产生电弧的问题，但是这种结构的分接开关仍然存在机械部分，调节速度慢、不能频繁操作的缺点并没有改变。辅助变压器与主变压器一
7、次侧串联，通过由晶闸管改变辅助变压器二次侧分接头进而实现调压。这种调压方法虽然调节快，无电弧当由于需要复杂的辅助变压器和大容量的晶闸管，因造价高而限制了这种有载调压开关的应用。由于性能和造价原因，都不适合配电变压器。电力电子元件易于实现计算机控制和具有关断与导通变换快，变换过程中不产生电弧等优点。将其作为变压器的有载分接开关将具有造价低，寿命长，可频繁调节等优点。本文介绍一种基于IGBT作为分接开关的有载自动调压配电变压器。2有载调压的意义及国内外发展概况2.1 研究的目的和意义 本课题研制的应用IGBT实现自动稳压功能的变压器，能够稳定380/220V的低压配电系统，它可以根据负载电压的波动
8、，自动调节变压器的输出电压，使负载能够始终工作在其额定电压附近，使用电设备具有良好的效率。 变压器有载调压的意义体现在以卜三个方面: (1)保证电压质量 采用有载调压设备能获得稳定优质的电压，而处于稳定额定值的电压能使供电设备正常作。电压偏移过大将影响工农业生产的质量和产量，甚至损害设备。例如电压太低，变压器出力将低于额定值;而电压太高会使变压器产生过励磁空载涌流很大，差动继电器误动作，断路器跳闸。当电动机在电压降低10%时，起动和最大转矩卜降19%，转差率增大23%温升上升7%;当电容器电压降低10%时，无功降低19%;当白炽灯电压增加10%，寿命将降低70%，气体放电灯寿命将降低20%。因
9、此保证电压质量是很重要的。 (2)联络电网和调节负载潮流 联络电网可提高可靠性和经济性，而电网并列条件之一，必须调节电压使之相等或接近。而系统中的无功潮流总是电压较高端流向电压较低端，这样调节电压可以调节负载潮流，挖掘设备有功和无功潜力。 (3)节约用电和减少设备事故在电化工、电冶炼工业中使用的电炉变压器、整流变压器，还有铁道电气化用的变压器、移动电站紧急供电用变压器，电子工业、医学专业、军工等电源变压器，采用有载调压设备都能获得显著的经济效益或提高供电的可靠性。2.2国外发展概况 对于有载分接开关，国外从二十一世纪初期开始研制，经过不断的改进，技术性能、使用寿命、切断容量等逐年提高，从而使有
10、载分接开关得到了日益广泛的应用。到60年代国际电工委员会第14次变压器委员会增设了有载分接开关委员会，着手制定分接开关的国际统一标准。在此以后，随着有载分接开关的不断完善，大约每隔十年左右，对标准进行一次提高要求的修改工作。 到现在许多工业发达的国家，如美国、日本、德国采用有载调压的电力变压器已经达到或接近于总容量的百分之百。2.3国内发展概况 国内配电变压器目前还没有自动稳压功能。采用无载调压方式的配电变压器，当低压侧电压过高或过低时，必须人工停电后，手动改变变压器的分接头，改变分接头后必须测量其接触电阻，所以，实际运行的变压器分接头根本不变，以至380/220V电网电压非常不稳定。 随着大
11、功率高电压电力电子元件的出现和单片机控制技术的发展，以及其低廉的价格，为采用无触点电子开关白动调节分接头，实现自动稳压提供了必要的物质和技术基础，所以，发展自动稳压变压器是配电变压器的发展趋势。3.IGBT的特点IGBT实际上是一种典型的双极MOS复合型功率器件，是在功率MOSFET工艺技术基础上的产物。IGBT 既具有功率MOSFET的高速开关及电压驱动特性，又具有双极型晶体管的低饱和电压特性及易实现较大电流能力。 IGBT 将BJT的电导调制效应引入到VDMOS的高阻漂移区，大大改善了器件的导通性，同时他还具有MOSFET的栅极高输入阻抗，开通和关断时均具有较宽的安全工作区。 IGBT 所
12、能应用的范围基本上代替了传统的晶闸管（SCR）可关断晶闸管（GTO）以及晶体管（BJT）。 IGBT 是新型电力电子主流器件，在设计上讲MOS和双极型晶体管结合起来，在性能上兼有双极型器件压降小，电流密度大和MOS器件开关快，频率特性好的双重优点。IGBT的最大优点是无论在导通还是短路的状态下都可以承受电流冲击。目前，IGBT 的最高水平为：单管，3000A/5000V；模块，1200A/3300V，工作频率为1820kHz。4.无触点有载自动调压配电变压器的主电路及调压过程4.1 无触点有载自动调压配电变压器的主电路本装置由变压器本体、无触点分接开关、环流限制电路、控制单元组成。其主电路接线
13、图如图4-1所示。图4-1 主电路接线图图中，w10为变压器的高压侧基本工作绕组，只要通电就在工作；w11，w12为高压侧调解绕组；w2为配电变压器低压侧绕组；IGBTi(i=1,2,3,4)为制作成过零型IGBT，通过检测电压电流波形使交流电压过零时导通，控制电压为零时，交流电流过零时关断的特性；RX为环流限制电阻RX，只有在变换工作分接头的过程中才接入回路中。单片机监控系统的作用是检测配电变压器的输出电压，根据预定程序发出控制指令；CB为测量变压器，给监控系统提供电源和测量信号。B有载自动调压配电变压器的自动调节过程配电变压器上电前监控系统由蓄电池供电，使T3处于导通状态，当变压器合闸后，
14、单片机监控系统自动检测配电变压器的输出电压，如果电压超过允许波动范围，则进入自动有载调压程序。自动有载调压流程图如图4-2所示。数据获取0.97UNU21.03UNNYNYU20.97UNNNT1 导通T4 导通Y过零检测过零检测触发T2触发T2NNT3 导通T3 导通YY关断 T4关断 T1关断 T3关断T3触发 T3触发 T3触发 T1触发 T4关断 T2关断 T2图4-2 自动有载调压流程图从图2可以看出，每次都是先将限流电阻RX串入分接头变换回路，然后再开始分接头的变换，这样可以起到限制环流值的作用。4.2改变分接头时调节绕组环流状况的理论分析由分接头变换过程中各IGBT的动作顺序可以
15、看出，在变换过程中调节绕组与IGBT将形成闭合回路，从而在这个回路中产生环流，如果环流超过允许值将造成IGBT的损坏。环流的大小与回路的阻抗和变压器高压侧的功率因数有关，越小，环流越大。试验用变压器为S950kVA/10kV节能配电变压器，高压侧靠近中性点侧有和三个分接头。当变压器一次侧线电压为额定电压10kV，电流为额定电流A，T3导通，其余IGBT关断，工作绕组为w10，w11两个绕组的串联时，变压器二次侧的线电压为额定电压400V，在额定状态下工作。变压器的短路电压百分数，短路损耗W，空载电流百分数，空载损耗W。由此计算出折算到高压侧变压器等值阻抗为，其中等值电阻为，等值电抗。下面以变压
16、器原工作在分接头，假设RX=0,分析改变分接头过程中环流的产生发展机理。当变压器输出电压低于允许值时，工作分接头将从转换。在T1导通到T2关闭这段时间，调节绕组w11与T1和T2形成闭合回路，产生环流。可用图3的等效电路来计算（本电路也适用与分接头由到的 变换）。图中Xw11和Rw11分别为变压器一次侧w11段调节绕组的等效电抗和电阻，K为T1的等效开关，uw11为回路的等效电源电压。设绕组是均匀的，则根据绕组电阻与匝数成正比，电抗与匝数的平方成正比的关系，并考虑到现在是串联工作，计算出图4-3改变分接头时的等效电路，。接近于一次侧相电压的5，即。图4-3的回路电压方程为5： （1）方程式1的
17、解为： （2）式中 为回路电流的稳态分量，如果取 则 （3）为回路电流的暂态分量为 （4）所以 （5）式5中的A与变换分接头前一次侧的功率因数角和电流值有关。取，得时，。图3中i的正方向与正方向相反，所以归算到图3中，在时， 所以 （6）为了便于观察T1导通前后流过T2中电流变化趋势，这里以虚线形式画出了与图4-3中电流方向一致的流过T2中的电流。根据式6画出的环流波形如图4-4所示。图4-4 调高电压时环流波形图由图可见，在T1导通后，流过T2中的电流由3.81A（与图4-3中电流正方向相同）迅速增大，达到im后逐渐变小，当时T2关断。在调高电压过程中，T2关断前有过流出现。当输出电压高于允
18、许值时，要将工作分接头调到。此时仍可用图4-3等效电路计算环流i，其中K为T4等效开关，回路参数变为w12的参数。如果仍然取，因为w11=w12，所以回路参数值不变，环流表达式也与式5相同，。T4导通前后，T2的电流方向不变，所以，时 波形如图4-5所示。图4-5 调低电压时环流波形图由图4-5可见，与调高电压分接头转换过程中，T1导通后环流i向最大值方向变化不同，这里在T4导通后，环流i（T2中电流）由3.81A快速向过零点变化。当时，T2关断。在T2关断以前环流i没有达到最大值，即这个变换过程中，没有大的环流产生。由理论分析可以得出结论，在调高输出电压和调低输出电压时，环流的发展机理是不同
19、的。前者在分接头转换过程中由过流产生，过流值与回路的阻抗有关，后者在分接头转换过程中无论回路的阻抗多大都没有过流的产生。这个结论在实验室也得到了验证。在实验室，用011kV的交流调压器从0V开始给样机分级加压，每级1kV。在调高输出电压分接头的转换过程中高压侧加3kV电压，就出现过流，导致保险熔断。而在输出电压由高向低调时，当一次侧电压高达11kV时也没有出现过流现象。因为调高输出电压过程中有过流的产生，且过流值与回路电阻有关，所以必须在分接头变换过程中在回路串入限流电阻，即RX不能为零。RX的串入不但减小了环流稳态分量的幅值，也使回路的时间常数变小，加快了环流i的暂态分量i”的衰减，降低了i
20、”对过流幅值的影响。当取RX=6.8时，说明在1.6ms后，暂态分量已衰减为零，大小取决于稳态分量。此时A本样机采用200AIGBT，安全系数接近4，试验和样机运行均表明这钟选择满足安全的要求。4 .3根据理论及试验结果提出的设想本装置是把IBGT制作成过零元件，但IGBT本身不具有过零的特性，这就为实际的应用带来了很多困难。在改变分接头的过程中，调高电压和降低电压变换分接头过程中环流的变化规律不同。前者的环流是经过幅值以后过零的，因而必须在变换回路串接限流电阻；后者的环流不经过幅值就过零，不产生过流，因而变换回路可以不串接限流电阻。根据试验得出的这个结论，又由于IGBT有较高的集射电压和电流
21、。在调高电压的过程中在T2 接入电路后直接进行切换，因为IGBT有能力开断200A的电流，所以只要保证di/dt，du/dt在允许范围内，就能可靠的关断。只要驱动电路设计的合理，完全能够达到技术要求。4.4谐波问题及其解决方法在理论上，由于IGBT在电压小于3.0V时具有非线性，在交流电压过零时，控制脉冲不同步触发，造成IGBT在零点附近不导通，造成交流电压不连续。进而产生谐波。由计算可知，电力电子元件非线性只在交流电压过零附近的0.014区域产生的谐波，其值很小完全可以忽略。采用电压过零导通IGBT的控制技术，只要一直保持控制电压的存在就可保证其连续导通。因而谐波问题得以解决。5 IGBT选
22、择及驱动保护电路设计5.1 IGBT的选择赛米控SEMiXTM-IGBT系列模块结构紧凑，接口简单的IGBT模块是设计性价比较高的装置所必备的。SEMiXTM包括600V，1200V，1700V的三个电压等级。根据前面计算的结果，选择1700V这个等级。IGBT驱动模块设计图5-1 IGBT模块由于IGBT不适宜长时间处于工作状态，所以只有在分接开关工作时IGBT才投入使用。在切换结束后退出工作状态。这样可以延长IGBT的使用寿命。5.2驱动电路保护驱动电路的要求IGBT作为一种大功率的复合器件，存在着过流时可能发生锁定现象而造成损坏的问题。在过流时如采用一般的速度封锁栅极电压，过高的电流变化
23、率会引起过电压，为此需要采用软关断技术，因而掌握好IGBT的驱动和保护特性是十分必要的。 IGBT 对驱动电路的要求根据IGBT的特性，它的驱动电路应该满足以下要求：（l）IGBT是电压驱动，具有一个2.55V的阈值电压，有一个容性输入阻抗，因此，IGBT 对栅极电荷非常敏感，这就要求驱动电路必须很可靠，要保证有一条低阻抗值的放电回路，即驱动电路与IGBT 的连线要尽量短。（2）用内阻小的驱动源对栅极电容充放电，以保证栅极控制电压Vge有足够陡的前后沿，使IGBT的开关损耗尽量小。另外，IGBT 开通后，栅极驱动源应能提供足够的功率使IGBT处于饱和状态，否则IGBT容易遭到损坏。（3）驱动电
24、路要能传递几十千赫兹的脉冲信号。（4）驱动电平Vge也必须综合考虑。Vge 增大时，IGBT通态压降和开通损耗均下降，但负载短路时的Ic增大，IGBT能承受短路电流的时间减小，对其安全不利，因此在有短路过程的设备中Vge应选得小些，一般为1215V。（5）在关断过程中，为尽快抽取PNP管的存储电荷，须施加一负偏Vge，但它受IGBT的G、E间最大反向耐压限制，一般取-1-10V。（6）在大电感负载下，IGBT的开关时间不能太短，以限制di / dt形成的尖峰电压，确保IGBT 的安全。（7）由于IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，故驱动电路与控制电路在电位上应严格隔离。（8）IGBT的栅极
25、驱动电路应尽可能简单实用，最好自身带有对IGBT的保护功能，有较强的抗干扰能力。根据选用IGBT型号，参数。采用IGD508/IGD515驱动1700V/300A 的实用电路，该电路采用公司和系列器件。脚开路，驱动为正常工作模式，一旦出现故障，关断。脚INV接地，所以信号没有被反向。36脚CQ的电容产生大约1us识别脉冲，当Cme=56nF，Ref=75欧时，响应时间大约是7us，响应閾值大约是额定电流的两倍。电路图5-2如下:图5-2 IDG508E/IDG515E应用电路6 单片机控制系统的总体设计DSP 芯片的应用领域非常广泛,可以说只要用到数字信号处理的领域,DSP 技术都将得到研究应
26、用和发展,电力系统更不能例外,DSP 在电力系统中有着很广泛的应用前景。随着电力系统的快速发展,电力网容量不断增大,结构日趋复杂,电力系统中实时监控、调度的自动化就显得十分重要,而几乎所有监测、分析、控制、信号传送都需要先将电力系统中的大电流、电压等交流信号,经过互感器和 A/D 转换变成微机可接受和处理的数字信号,有些需要输出用以控制的话,还要将数字信号进行 D/A 或PWM 处理。而这正是 DSP 的优势所在。6.1 DSP芯片的选择及硬件电路的设计6.1.1 DSP的选择随着对信号处理要求的不断提高以及DSP技术的不断发展，DSP 在电子工业领域得到了越来越广泛的应用。美国TI 公司的T
27、MS320VC54x系列 DSP 具有运算速度快，功耗小和性价比高的特点,已在个人通讯、信号与信息处理以及自动控制等领域得到了广泛的应用。该芯片提供了与外部设备进行通讯的接口,它与串口A/ D 转换器构成的信号采集与处理系统具有硬件结构设计简单、可靠性好的特点。本装置选用Ti 公司C54 系列DSP。6.1.2 A/D转换器的选择综合考虑器件的转换速度、分辨率、应用所需的采样率、同时采样、集成采样保持器等等因素，最后在设计中我们选择了比较熟悉的 MAX125。它具有以下特点：（1）高达 14 位的分辨率，具有比较高的精度。（2）捕获时间和转换时间较短。MAX125 每个通道最短捕获时间是 1
28、s ，每个通道的转换时间为 3s ，能够实现非常高的采样率。（3）内部集成了四个采样保持器和多路转换开关，四个通道虽然不是同时转换的，但最后转换的是同一个时刻的值，能够准确测量功率。（4）支持双极性输入( 5v)，不用加偏置电压。（5）模拟量输入口具有过电压保护功能，当输入电压超过它的量程范围时不会对芯片造成危害。（6）片内集成了+2.5V 基准电压源。（7）14 位高速并行数字接口。6.1.3 硬件电路的设计本装置采用分板型式，即主要由母板和 CPU 板组成，CPU 板通过长插针插在母板上，电源、PT/CT、开出继电器、光隔以及出线端子等元件都放在母板上，且端子放置于母板同一侧以满足现场特殊
29、的安装需要。根据本装置功能，可以确定装置的电路包含以下模块：处理器系统（核心模块）；模拟量采集及 A/D 转换模块；开关量输出控制模块； 看门狗电路，电源等。系统硬件如下图6-1所示：看门狗开入/开出存储器TMS320VC54x模拟量输入PT/CTA/D转换MAX125JTAG电源通用IO口ONCE片内集成Flash/Ram图6-1 系统硬件图6.2 系统的软件设计整个程序从结构上看，主要包括一个无限循环的主程序、定时中断服务程序和可供调用的功能模块组成。定时中断为最高中断级别，主要完成模拟量（电压、电流）的 A/D 转换及保存、开入量检测以及清看门狗等定时任务。在主循环中，完成系统自检、采样
30、值计算、等任务。图6-2是系统主程序流程图：系统初始化调用看门狗程序其他主循环参数计算电压检测判断图6-2 系统软件流程图7结论通过理论分析和实验检验，说明采用自动有载调压是稳定负载电压的有效方式；采用IGBT作为有载分接开关，不会产生谐波畸变。在改变分接头的过程中，调高电压和降低电压变换分接头过程中环流的变化规律是不同的。前者的环流是经过幅值以后过零的，因而必须在变换回路串接限流电阻；后者的环流不经过幅值就过零，不产生过流，因而变换回路可以不串接限流电阻。限流电阻可以按照将环流稳态分量幅值限制在IGBT额定值附近来选取。参考文献1 Cooke G. H. et al. New Thyrist
31、or Assisted Diverter Switch for On Load Transformer Tap ChangersJ. IEE Proceedings. Vol. 139. No. 6. pp. 507-511. September 19922 Guorong Zhu. Minzu Li, Xiaodong Liu and Tingting Wang Voltage Regulation Method in Series Thyristor of Distribution transformer. Transformer. Vol. 22. No. 5. pp. 1001-842
32、5. May 20023 jiansheng chang 检测与转换技术 机械工业出版社 北京 2004 pp644 何仰赞 温增银等：电力系统分析华中理工大学出版社1984年6月1618页5 Daguang Yu. Fundamentals of Electric and Electronic Engineering.（中册） People Education Publishing Company, 1965 pp1081146 基于固态继电器的无触点自动有载调压配电变压器的研究 赵玉林7 周志敏 周纪海 纪爱华：IGBT和IPM及其应用电路 人民邮电出版社 2006年3月3043页8 徐占： 基于 DSP 技术的配电变压器监测终端的研制 致谢在赵老师的大力支持下，完成了这篇论文。赵老师治学严谨，工作认真，值得我们敬佩。在这里我要感谢赵老师对我的支持和帮助，使我能在有限的时间内完成论文。在即将结束大学生活的时刻，祝电气工程系的老师同学一切顺利。
