基于三相AC/DC變換器實現(xiàn)煤礦井下無工頻變壓器電源的設(shè)計

作者：崔義森；李德??；王聰；黨楠；沙廣林

1 概述

自20世紀(jì)以來，我國煤礦井下開始大量使用127V照明電源及其綜合保護(hù)裝置。到目前為止，我國煤礦井下選擇的照明器材仍以傳統(tǒng)電源為主，都是將工頻變壓器、組合開關(guān)及綜合保護(hù)裝置組合在一起，裝在一個隔爆外殼中，為煤礦井下設(shè)備供電。隨著井下開采規(guī)模增大，巷道與綜采工作面加長，井下供電電壓的提高，近幾年出現(xiàn)了使用大容量6kVA、8kVA乃至10kVA的電源。但這些電源大多還是以工頻變壓器為設(shè)計主體，其體積大、質(zhì)量大、效率低，在將660V電壓變?yōu)?27V電壓的過程中造成了比較嚴(yán)重的能量損耗。

使用電力電子變壓器進(jìn)行調(diào)壓近年來得到快速發(fā)展，其主要性能有：無電網(wǎng)污染；輸出電壓穩(wěn)定；功率因數(shù)可調(diào)；具有高度的可控性；具有可靠的電路檢測保護(hù)功能 。因此，研究體積小、質(zhì)量小、效率高的電力電子變壓器來取代工頻變壓器成為了現(xiàn)階段的一個主要研究課題。

2 采用電力電子變壓器交流調(diào)壓

電力電子變壓器的設(shè)計思路源于具有高頻鏈接的AC/AC變換電路。它是一種含有電力電子變換器且通過高頻變壓器實現(xiàn)磁耦合的變換裝置，其突出特點在于通過變換器實現(xiàn)對其交流側(cè)電壓幅值和相位的實時控制，可實現(xiàn)變壓器原副邊電壓、電流、功率的靈活調(diào)節(jié) 。電力電子變壓器的實現(xiàn)方案主要分兩種：一是變換中不含直流環(huán)節(jié)的AC/AC變換；二是在變換中含有直流環(huán)節(jié)的AC/DC/DC/AC變換。其中第二種方案的主電路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電力電子變壓器主電路結(jié)構(gòu)圖

3 一種AC/DC變換器

由圖1可以看到，該電力電子變壓器主要分為三個模塊：輸入整流級、DC-DC變換級和輸出逆變級?；诂F(xiàn)代電力電子技術(shù)，使用適當(dāng)?shù)姆椒▽D中的開關(guān)管進(jìn)行控制，該裝置就可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)的工頻變壓器相同的功能。二者相比較，傳輸功率一定時，電力電子變壓器不僅體積、質(zhì)量比工頻變壓器小的多，而且其性能要比工頻變壓器好。

但基于傳統(tǒng)的整流和逆變方法的電力電子變壓器有兩個主要缺點：一是對于大功率、高電壓的電路來說，開關(guān)管的耐壓能力有限；二是整流和逆變中用到了太多的開關(guān)管，降低了電路運行的穩(wěn)定性，增加了能量的損耗，提高了電路成本。因此，針對電力電子變壓器前端的AC/DC整流部分，文章給出了一種的單級高頻隔離的三相AC/DC變換器 ，并且在理論上證明了其用于煤礦井下無工頻變壓器照明電源設(shè)計的可行性。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，該結(jié)構(gòu)可以取代圖1中虛線框中的輸入整流級和DC/DC變換級。通過圖1與圖2的對比可以看出，該結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)AC/DC的過程中只使用了三個開關(guān)管，開關(guān)器件使用的減少可以簡化電路結(jié)構(gòu)，減少電路損耗；輸入端采用PWM整流方法，功率因數(shù)可調(diào)且可實現(xiàn)高功率因數(shù)運行；DC/DC環(huán)節(jié)基于正反激電路設(shè)計，可穩(wěn)定輸出電壓。

該單級高頻隔離三相AC/DC變換器的工作原理為：在輸入整流端采用PWM整流的方法，從而在變壓器原邊Np兩端產(chǎn)生PWM方波；原邊的功率通過副邊線圈N5傳遞給負(fù)載， Lo和Dd組成了續(xù)流回路，保證了負(fù)載電壓的穩(wěn)定性；變壓器副邊線圈Nd和二極管Dd以及負(fù)載組成的回路作用是給變壓器去磁。這樣就使變換器工作在負(fù)載電流連續(xù)（CCM）和輸人電流斷續(xù)（DCM）的模式下，可以實現(xiàn)上述各種優(yōu)良性能。

圖2 單級AC／DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其具體的控制方法是通過采樣輸入電流和輸出電壓，進(jìn)行坐標(biāo)變換以及閉環(huán)調(diào)節(jié)的設(shè)計，以此來調(diào)節(jié)輸入電壓電流（功率因素）和輸出電壓，功率。常用的三相PWM整流方法如中所述，該電路中具體的PWM整流方法是：先定義三個兩電平調(diào)制變量ma（t），mb（t），mac（t）如下，再通過矩陣變換產(chǎn)生三電平變量ya（t），yb（t），yc（t），通過這三個變量的狀態(tài)來控制三個開關(guān)管的開通和關(guān)斷。其具體關(guān)系式如下：

由上面兩個式子得到的開關(guān)管控制表見表1。

由控制表得：當(dāng)三個變量的狀態(tài)為0電平時，與其相對應(yīng)的開關(guān)管要關(guān)斷；而其狀態(tài)為非0態(tài)時，與其對應(yīng)的開關(guān)管要打開。由此，使用ya（t），yb（t），yc（t）產(chǎn)生的PWM波形就可以用來驅(qū)動開關(guān)管的通斷進(jìn)而控制前級的整流電路的正常工作。

使用高頻變壓器的DC/DC環(huán)節(jié)可以等效成一個單向的Buck變換器，其等效電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。該電路的工作狀態(tài)可以簡化描述為三個階段：① 開關(guān)閉合，變壓器磁芯被磁化，電能通過副邊線圈N 由直流電源E傳遞給負(fù)載；② 開關(guān)斷開，電感Lo中的電流通過二極管Dd續(xù)流，變壓器磁芯通過去磁繞組Nd經(jīng)負(fù)載回路產(chǎn)生的去磁電流開始去磁；③ 開關(guān)仍然斷開，去磁已經(jīng)完成，但電感Lo仍然通過Dd續(xù)流。

圖3 DC/DC環(huán)節(jié)等效電路

該電路是基于正反激電路設(shè)計而成的，通過恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法和參數(shù)可以保證負(fù)載電流的連續(xù)性以及原邊電感的斷續(xù)，只有這樣才能保證三個工作狀態(tài)正常運行。

4 電路仿真及分析

為了證實該電路的有效性，在該電路的基礎(chǔ)上設(shè)計仿真，其主要參數(shù)為： 相輸入線電壓660V；開關(guān)頻率20kHz；輸 功率10kVA；輸出電壓為225V，可以為逆變輸出127V交流提供穩(wěn)定的直流電源。

輸入端電感和電容值分別為175μH和23μH，Np=28，Ns= 12，Nd=3，輸出端電感和電容分別為130μH 和1000μF。輸入電壓及輸入電流的波形和輸出電壓的波形如圖4所示。

圖4 仿真輸入電壓電流及輸出電壓波形

將輸入電流放大10倍得到了圖4中輸入電壓和輸入電流的波形，可以看到此時電壓與電流的波形在相位上基本吻合，此時的輸入功率因數(shù)較高。通過閉環(huán)調(diào)節(jié)控制產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形，控制相應(yīng)的開關(guān)管的開通和關(guān)斷來達(dá)到上述目的。

仿真結(jié)果說明了該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在理論上可以實現(xiàn)煤礦井下照明電源需要的輸入端整流級及隔離部分的D/DC變換級，其與傳統(tǒng)的電力電子變壓器中相應(yīng)的結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)簡單，較容易實現(xiàn)。

5 結(jié)語

本文介紹了一種的三相AC/DC變換器。這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅僅使用了三個開關(guān)管，大大簡化了電路的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)較容易，能夠比較靈活的應(yīng)用于煤礦井下無工頻變壓器電源的設(shè)計。該電路采用PWM整流方法，輸入端功率因數(shù)高，可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行；輸出電壓穩(wěn)定、調(diào)整方便、動作可靠、性能好?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展為煤礦井下無工頻變壓器電源的研究提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，本文僅就相關(guān)技術(shù)方案提出了一種新的電路結(jié)構(gòu)，隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用電力電子技術(shù)構(gòu)成的煤礦井下無工頻變壓器電源將會得到廣泛的推廣和應(yīng)用。

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