井下照明電源的一種單級三相高頻隔離AC/DC變換器設計

1概述

自20世紀以來，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、組合開關及綜合保護裝置組合在一起，裝在一個隔爆外殼中，為煤礦井下設備供電。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計主體，其體積大、質量大、效率低，在將660V電壓變?yōu)?27V電壓的過程中造成了比較嚴重的能量損耗。

使用電力電子變壓器進行調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；具有高度的可控性；具有可靠的電路檢測保護功能。因此，研究體積小、質量小、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壓

電力電子變壓器的設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構圖如圖1所示。

圖1電力電子變壓器主電路結構圖

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，使用適當?shù)姆椒▽D中的開關管進行控制，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，開關管的耐壓能力有限；二是整流和逆變中用到了太多的開關管，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計的可行性。其具體結構如圖2所示，該結構可以取代圖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，該結構在實現(xiàn)AC/DC的過程中只使用了三個開關管，開關器件使用的減少可以簡化電路結構，減少電路損耗；輸入端采用PWM整流方法，功率因數(shù)可調且可實現(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兩端產生PWM方波；原邊的功率通過副邊線圈N5傳遞給負載，Lo和Dd組成了續(xù)流回路，保證了負載電壓的穩(wěn)定性；變壓器副邊線圈Nd和二極管Dd以及負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變換器拓撲結構

其具體的控制方法是通過采樣輸入電流和輸出電壓，進行坐標變換以及閉環(huán)調節(jié)的設計，以此來調節(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制變量ma（t），mb（t），mac（t）如下，再通過矩陣變換產生三電平變量ya（t），yb（t），yc（t），通過這三個變量的狀態(tài)來控制三個開關管的開通和關斷。其具體關系式如下：



由上面兩個式子得到的開關管控制表見表1.

由控制表得：當三個變量的狀態(tài)為0電平時，與其相對應的開關管要關斷；而其狀態(tài)為非0態(tài)時，與其對應的開關管要打開。由此，使用ya（t），yb（t），yc（t）產生的PWM波形就可以用來驅動開關管的通斷進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，其等效電路結構如圖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傳遞給負載；②開關斷開，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經負載回路產生的去磁電流開始去磁；③開關仍然斷開，去磁已經完成，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計而成的，通過恰當?shù)脑O計方法和參數(shù)可以保證負載電流的連續(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，在該電路的基礎上設計仿真，其主要參數(shù)為：相輸入線電壓660V；開關頻率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)調節(jié)控制產生相應的PWM波形，控制相應的開關管的開通和關斷來達到上述目的。

仿真結果說明了該電路拓撲結構在理論上可以實現(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的結構相比結構簡單，較容易實現(xiàn)。

5結語

本文介紹了一種的三相AC/DC變換器。這種電路拓撲結構僅僅使用了三個開關管，大大簡化了電路的結構，實現(xiàn)較容易，能夠比較靈活的應用于煤礦井下無工頻變壓器電源的設計。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、調整方便、動作可靠、性能好?，F(xiàn)代電力電子技術的發(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基礎，本文僅就相關技術方案提出了一種新的電路結構，隨著電力電子技術的不斷進步，采用電力電子技術構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用。