【導讀】自中國邁入20世紀，127V照明電源被應用于煤礦開采中。如今，煤礦井下應用的照明器材是將組合開關(guān)、工頻變壓器、綜合保護裝置整合在一起裝在防爆外殼中的電源設備。近年來大容量6kVA、8kVA乃至10kVA的電源被廣泛應用。本文深入研究了應用于井下照明電源的單級三相高頻隔離AD/DC變換器方案設計。
使用電力電子變壓器進行調(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。
電力電子變壓器交流調(diào)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(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：主電路結(jié)構(gòu)圖
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?shù)姆椒▽D中的開關(guān)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(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)基于正反激電路設計，可穩(wěn)定輸出電壓。
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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AD/DC 變換器拓撲結(jié)構(gòu)
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
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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
仿真結(jié)果說明了該電路拓撲結(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的結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)簡單，較容易實現(xiàn)。
結(jié)語
本文解析了單級三相隔離AD/DC變換器的設計。電路拓撲結(jié)構(gòu)僅用了三個開關(guān)管，簡化了電路結(jié)構(gòu)，能夠更加靈活的應用于煤礦井下的供品變壓器電源設計。電路采用PWM整流方法，輸入端功率因數(shù)高，輸出電壓穩(wěn)定可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行。隨著電子電子技術(shù)的發(fā)展，相信這種采用電力電子技術(shù)的電源設備能夠得到推廣。
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