基于三相AC/DC变换器实现煤矿井下无工频变压器电源的设计

作者：崔义森；李德俊；王聪；党楠；沙广林

1 概述

自20世纪以来，我国煤矿井下开始大量使用127V照明电源及其综合保护装置。到目前为止，我国煤矿井下选择的照明器材仍以传统电源为主，都是将工频变压器、组合开关及综合保护装置组合在一起，装在一个隔爆外壳中，为煤矿井下设备供电。随着井下开采规模增大，巷道与综采工作面加长，井下供电电压的提高，近几年出现了使用大容量6kVA、8kVA乃至10kVA的电源。但这些电源大多还是以工频变压器为设计主体，其体积大、质量大、效率低，在将660V电压变为127V电压的过程中造成了比较严重的能量损耗。

使用电力电子变压器进行调压近年来得到快速发展，其主要性能有：无电网污染；输出电压稳定；功率因数可调；具有高度的可控性；具有可靠的电路检测保护功能 。因此，研究体积小、质量小、效率高的电力电子变压器来取代工频变压器成为了现阶段的一个主要研究课题。

2 采用电力电子变压器交流调压

电力电子变压器的设计思路源于具有高频链接的AC/AC变换电路。它是一种含有电力电子变换器且通过高频变压器实现磁耦合的变换装置，其突出特点在于通过变换器实现对其交流侧电压幅值和相位的实时控制，可实现变压器原副边电压、电流、功率的灵活调节 。电力电子变压器的实现方案主要分两种：一是变换中不含直流环节的AC/AC变换；二是在变换中含有直流环节的AC/DC/DC/AC变换。其中第二种方案的主电路结构图如图1所示。

图1 电力电子变压器主电路结构图

3 一种AC/DC变换器

由图1可以看到，该电力电子变压器主要分为三个模块：输入整流级、DC-DC变换级和输出逆变级。基于现代电力电子技术，使用适当的方法对图中的开关管进行控制，该装置就可以实现与传统的工频变压器相同的功能。二者相比较，传输功率一定时，电力电子变压器不仅体积、质量比工频变压器小的多，而且其性能要比工频变压器好。

但基于传统的整流和逆变方法的电力电子变压器有两个主要缺点：一是对于大功率、高电压的电路来说，开关管的耐压能力有限；二是整流和逆变中用到了太多的开关管，降低了电路运行的稳定性，增加了能量的损耗，提高了电路成本。因此，针对电力电子变压器前端的AC/DC整流部分，文章给出了一种的单级高频隔离的三相AC/DC变换器 ，并且在理论上证明了其用于煤矿井下无工频变压器照明电源设计的可行性。其具体结构如图2所示，该结构可以取代图1中虚线框中的输入整流级和DC/DC变换级。通过图1与图2的对比可以看出，该结构在实现AC/DC的过程中只使用了三个开关管，开关器件使用的减少可以简化电路结构，减少电路损耗；输入端采用PWM整流方法，功率因数可调且可实现高功率因数运行；DC/DC环节基于正反激电路设计，可稳定输出电压。

该单级高频隔离三相AC/DC变换器的工作原理为：在输入整流端采用PWM整流的方法，从而在变压器原边Np两端产生PWM方波；原边的功率通过副边线圈N5传递给负载， Lo和Dd组成了续流回路，保证了负载电压的稳定性；变压器副边线圈Nd和二极管Dd以及负载组成的回路作用是给变压器去磁。这样就使变换器工作在负载电流连续（CCM）和输人电流断续（DCM）的模式下，可以实现上述各种优良性能。

图2 单级AC／DC变换器拓扑结构

其具体的控制方法是通过采样输入电流和输出电压，进行坐标变换以及闭环调节的设计，以此来调节输入电压电流（功率因素）和输出电压，功率。常用的三相PWM整流方法如中所述，该电路中具体的PWM整流方法是：先定义三个两电平调制变量ma（t），mb（t），mac（t）如下，再通过矩阵变换产生三电平变量ya（t），yb（t），yc（t），通过这三个变量的状态来控制三个开关管的开通和关断。其具体关系式如下：

由上面两个式子得到的开关管控制表见表1。

由控制表得：当三个变量的状态为0电平时，与其相对应的开关管要关断；而其状态为非0态时，与其对应的开关管要打开。由此，使用ya（t），yb（t），yc（t）产生的PWM波形就可以用来驱动开关管的通断进而控制前级的整流电路的正常工作。

使用高频变压器的DC/DC环节可以等效成一个单向的Buck变换器，其等效电路结构如图3所示。该电路的工作状态可以简化描述为三个阶段：① 开关闭合，变压器磁芯被磁化，电能通过副边线圈N 由直流电源E传递给负载；② 开关断开，电感Lo中的电流通过二极管Dd续流，变压器磁芯通过去磁绕组Nd经负载回路产生的去磁电流开始去磁；③ 开关仍然断开，去磁已经完成，但电感Lo仍然通过Dd续流。

图3 DC/DC环节等效电路

该电路是基于正反激电路设计而成的，通过恰当的设计方法和参数可以保证负载电流的连续性以及原边电感的断续，只有这样才能保证三个工作状态正常运行。

4 电路仿真及分析

为了证实该电路的有效性，在该电路的基础上设计仿真，其主要参数为： 相输入线电压660V；开关频率20kHz；输 功率10kVA；输出电压为225V，可以为逆变输出127V交流提供稳定的直流电源。

输入端电感和电容值分别为175μH和23μH，Np=28，Ns= 12，Nd=3，输出端电感和电容分别为130μH 和1000μF。输入电压及输入电流的波形和输出电压的波形如图4所示。

图4 仿真输入电压电流及输出电压波形

将输入电流放大10倍得到了图4中输入电压和输入电流的波形，可以看到此时电压与电流的波形在相位上基本吻合，此时的输入功率因数较高。通过闭环调节控制产生相应的PWM波形，控制相应的开关管的开通和关断来达到上述目的。

仿真结果说明了该电路拓扑结构在理论上可以实现煤矿井下照明电源需要的输入端整流级及隔离部分的D/DC变换级，其与传统的电力电子变压器中相应的结构相比结构简单，较容易实现。

5 结语

本文介绍了一种的三相AC/DC变换器。这种电路拓扑结构仅仅使用了三个开关管，大大简化了电路的结构，实现较容易，能够比较灵活的应用于煤矿井下无工频变压器电源的设计。该电路采用PWM整流方法，输入端功率因数高，可以实现单位功率因数运行；输出电压稳定、调整方便、动作可靠、性能好。现代电力电子技术的发展为煤矿井下无工频变压器电源的研究提供了理论和技术基础，本文仅就相关技术方案提出了一种新的电路结构，随着电力电子技术的不断进步，采用电力电子技术构成的煤矿井下无工频变压器电源将会得到广泛的推广和应用。

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