【導讀】自中國邁入20世紀，127V照明電源被應(yīng)用于煤礦開采中。如今，煤礦井下應(yīng)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(shè)備。近年來大容量6kVA、8kVA乃至10kVA的電源被廣泛應(yīng)用。本文深入研究了應(yīng)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(shè)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(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：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。基于現(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(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。
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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(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
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(yīng)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(shè)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(yīng)用于煤礦井下的供品變壓器電源設(shè)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(shè)備能夠得到推廣。
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