一种大功率全自动三相调压器的设计

本文介绍了一种三相自动调压装置。采用的是控制电机的转动调节变压线包输入输出比例的方式，调节电压达到用户所需值，实现三相电压的准确快速调节，解决了人为调节的安全、调节速度慢、调节准确度低的问题，还能及时发现电压的变化。通过对三相电压的安全、快速、自动化调节，为电力设备的检测机构或生产厂家对所生产的设备进行检测校验提供了装置。

【关键词】三相电压 直流减速电机 调压线包 电压精度

1 概述

1.1 应用范围

三相调压器在各行各业都应用的非常广泛，尤其在电力系统中，三相调压器常用于对电力设备进行性能检测。

1.2 传统三相调压器的缺点

传统的三相调压器是匝数比连续可调的自耦变压器，当调压器电刷借助于手轮主轴和刷架的作用，沿线圈的磨光表面滑动时，就可连续地改变匝数比，从而使输出电压平滑调节。

由于采用手动调节，传统三相调压器存在如下不足：

●调整速度慢，效率低，不适合需要频繁改变输出电压的场合；

●调整精度低，不适合要求控制精度较高的应用场合；

●输出受输入影响严重，输入的三相不平衡会导致输出的不平衡；

1.3 全自动三相调压器设计思想

在电力系统，众多采用三相电源工作的设备需要在较宽的三相工作电源环境下检测其性能，为了提高检测效率和检测水平，通常需要在保证调整精度的情况下可以快速的实现不同三相电压设置点的调整，传统的手动调压方式已无法满足这一需求。为了提高三相调压器的调整精度与调整效率，可以通过设计出一种全自动三相调压器来实现这一目标。

2 整体方案的选择

2.1 实现方案

有两种方案可以实现全自动三相调压控制目标，分别是单电机主轴驱动模式及三电机独立刷架驱动模式。

单电机主轴驱动模式是采用一个电机带动一个主轴，主轴上固定有三个同相位的碳刷架，当电机运转时，三个刷架会同时运转实现输出电压的调节。

三电机独立刷架驱动模式采用三个电机对三个调压线圈上的刷架进行控制，三相控制完全独立。

2.2 方案比较

单电机主轴驱动模式具有结构简单实现容易的特点，但由于三相刷架受同一个电机的控制，如果三相输入不平衡，同样会造成输出的不平衡。

三电机独立刷架驱动模式结构较单电机主轴驱动模式复杂，每个调压线圈需配置独立的采样驱动电路，但可以保证良好的三相输出平衡度和控制精度。

三电机独立刷架驱动模式更适用于对控制精度要求较高的场合，因此选用该方案做为大功率全自动三相调压器的设计方案。

3 硬件设计方案

3.1 硬件结构组成图

大功率全自动三相调压器三相输入输出电压采样电路、RS232与RS485通信电路、辅助电源模块、主控单元、三路隔离电机驱动电路组成。图1描述了该装置硬件结构图。

主控单元内置的ADC实现了三相输入输出电压的模数转换，根据RS485或RS232上位机设置的输出电压对三相电机进行控制，最终实现输出电压与设置电压一致的目标。

3.2 硬件设计特点

3.2.1 32位高性能处理器设计的主控单元

主控单元采用意法半导体的STM32F103系列32位芯片作为中央处理单元，该处理器具有丰富的接口可供使用，其内置多通道的ADC转换模块用于读取三相输入输出电压、多路串口分别实现RS232与RS485通信接口用于上位机控制、三路PWM配合IO控制可实现对三相电机的调速与转向控制。

3.2.2 高精度的分压采样电路

32位处理器内置的高速AD转换器配合DMA存储技术可实现每秒对高达1万次的采样数据进行分析，保证了采样精度。

AD采样的前级电路采用了精度为0.1%，温漂低于25PPM的分压电阻，隔直分压滤波后，经高精度运用构成的信号调理电路进行缓冲保护。

其原理结构图如图2所示。

3.2.3 丰富的上位机通信接口

可通过RS232和RS485接口进行通信，通过上位机或本地人机操作界面，实现包括主控单元控制、参数设置、调节过程查看等服务

3.2.4 分相调节全隔离电机驱动控制

采用分相独立调节技术可以精确的实现每相电压的调整。从而使三相输出电压平衡性能不受输入电压的影响。

在对每相电机的驱动中，均采用光电隔离，确保在驱动电机过程中产生的干什扰信号不会反馈到采样控制系统中，保障了处理器运行的稳定性。

三相电压调整所用的直流减速电机的驱动采用ST公司的L298N芯片，驱动原理示意图如图3示。

图中IO11，IO12为处理器的IO口，PWM1为处理器的PWM输出接口，经TLP521光隔之后输入至电机驱动芯片L298N，从而实现电机转向及转速的控制。

3.2.5 电机限位保护设计

为了防止直流减速电机在顺时针或逆时针转动至限制位时停止驱动，设计时在顺时针及逆时针限制位均设有行程开关，当电机控制碳刷到达停止位时，自动切断该转向电源以保护电机。

4 软件设计方案

4.1 软件控制流程

全自动三相调压器控制程序采用模块化设计，主要由定时器模块程序、AD采样转换模块程序、PWM波形输出程序等组成，流程图如图4所示。

在图4中，控制软件将三相调压器实际输出值与用户设定值进行比较，采用分级调速技术快速将输出值调整至用户设定值。

4.2 软件控制特点

软件采用了分级同时调节技术，四级调速的设计兼顾了三相调压输出调速的快速性与精确性；同时调速是指可同时对控制三相输出电压的三个电机进行调节控制，提高调整效率。

5 试验结果数据分析及结论

经过实验室运行结果分析，该方案所设计出的全自动三相调压器能够快速准确的调节，调整时间小于10秒，控制精度小于0.5%，成功的解决了人工调节存在的一系列问题，为电力设备的检测机构或生产厂家对所生产的设备进行检测校验提供了有效手段。

参考文献

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作者简介

周卫（1984-），男，湖北省荆门市人。工学硕士学位。现为广西电网公司电力科学研究院工程师，主要从事电力系统继电保护研究、开发及技术监督与技术检查工作。

黄东山（1971-），男，广西壮族自治区柳州市人。工学硕士学位。现为广西电网公司电力科学研究院高级工程师，长期从事电力系统继电保护检修、研究、开发及技术监督与技术检查工作。

王晓明（1984-），男，山西省平遥县人。工学硕士学位。现为广西电网公司电力科学研究院助理工程师，主要从事电力系统继电保护工作。

作者单位

广西电网公司电力科学研究院 广西壮族自治区南宁市 530023