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          井下照明電源的一種單級三相高頻隔離AC/DC變換器設(shè)計

          作者: 時間:2017-06-03 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201706/347055.htm

          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、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/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(shí)現(xiàn)磁耦合的變換裝置,其突出特點(diǎn)在于通過變換器實(shí)現(xiàn)對其交流側(cè)電壓幅值和相位的實(shí)時控制,可實(shí)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(shí)現(xiàn)方案主要分兩種:一是變換中不含直流環(huán)節(jié)的/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。基于現(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(shí)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(diǎn):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(yùn)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(shí)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;輸入端采用整流方法,功率因數(shù)可調(diào)且可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)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。

          該單級三相AC/DC變換器的工作原理為:在輸入整流端采用整流的方法,從而在變壓器原邊Np兩端產(chǎn)生方波;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(shí)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(yùn)行。

          4電路仿真及分析

          為了證實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)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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