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井下照明电源的单级三相高频隔离AC/DC变换器设计方案解析
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2017-11-15
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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。
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。
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