基于三相交流/DC变换器的煤矿无工频变压器电源设计

20世纪以来，127伏照明电源及其综合保护装置在我国煤矿得到了广泛应用。到目前为止，传统电源仍然是我国煤矿的主要照明设备，它将工频变压器、组合开关和综合保护装置组合在一起，安装在防爆外壳中，为煤矿设备供电。随着井下开采规模的增大，巷道和综采工作面的加长，以及井下供电电压的提高，近年来大容量的6kVA、8kVA甚至10kVA电源得到了应用。但这些电源大多基于工频变压器，体积大、重量重、效率低，在将660V电压变为127V电压的过程中会造成严重的能量损失。

利用电力电子变压器进行调压近年来发展迅速，其主要特性是：不污染电网；输出电压稳定；可调功率因数；可控性高；具有可靠的电路检测和保护功能。因此，研究体积小、重量轻、效率高的电力电子变压器来代替工频变压器已经成为一个主要的研究课题。

2用电力电子变压器调节交流电压

图1电力电子变压器主电路结构图

3交流/DC转换器

从图1可以看出，电力电子变压器主要分为三个模块：输入整流级、DC-DC转换级和输出逆变级。该装置基于现代电力电子技术，通过适当的方法控制图中的开关管，可以实现与传统工频变压器相同的功能。相比之下，在传输功率不变的情况下，电力电子变压器不仅体积和质量比工频变压器小得多，而且性能也比工频变压器好得多。

单级高频隔离三相交流/DC变换器的工作原理是：(1)输入整流端采用PWM整流，使变压器初级Np两端产生PWM方波；一次侧的功率通过二次侧线圈N5传递给负载，Lo和Dd形成一个续流回路，保证负载电压的稳定。由变压器次级绕组Nd、二极管Dd和负载组成的回路用于对变压器消磁。这样，变换器可以工作在连续负载电流(CCM)和不连续输入电流(DCM)模式下，可以达到上述优良的性能。

图2单级交流/DC变换器的拓扑

具体控制方法是通过对输入电流和输出电压进行采样，设计坐标变换和闭环调节，来调节输入电压和电流(功率因数)、输出电压和功率。中描述了常用的三相PWM整流方法，该电路中具体的PWM整流方法是定义三个二级调制变量ma(t)、mb(t)、mac(t)如下，然后通过矩阵变换生成三级变量ya(t)、yb(t)、yc(t)，通过这三个变量的状态控制三个开关管的开、关。具体的关系表达式如下：

由上述两个公式得到的开关管控制表如表1所示。

根据控制表，当三个变量的状态为0级时，相应的开关管应关闭；当其状态为非0时，应打开相应的开关管。因此，ya(t)、yb(t)、yc(t)产生的PWM波形可以用来驱动开关管的通断，进而控制前一个整流电路的正常工作。

使用高频变压器的DC/DC链路可以等效为单向降压转换器，其等效电路结构如图3所示。电路的工作状态可以简化为三个阶段：(1)开关闭合，变压器铁芯被磁化，电能从DC电源E通过次级线圈N传输到负载；12)开关断开，电感Lo中的电流通过二极管Dd续流，变压器铁芯通过由消磁绕组nd通过loa产生的消磁电流开始消磁

以保证负载电流的连续性以及原边电感的断续，只有这样才能保证三个工作状态正常运行。

4电路仿真及分析

为了证实该电路的有效性，在该电路的基础上设计仿真，其主要参数为：相输入线电压660V；开关频率20kHz；输功率10kVA；输出电压为225V，可以为逆变输出127V交流提供稳定的直流电源。

输入端电感和电容值分别为175μH和23μH，Np=28，Ns=12，Nd=3，输出端电感和电容分别为130μH和1000μF。输入电压及输入电流的波形和输出电压的波形如图4所示。

图4仿真输入电压电流及输出电压波形

将输入电流放大10倍得到了图4中输入电压和输入电流的波形，可以看到此时电压与电流的波形在相位上基本吻合，此时的输入功率因数较高。通过闭环调节控制产生相应的PWM波形，控制相应的开关管的开通和关断来达到上述目的。

仿真结果说明了该电路拓扑结构在理论上可以实现煤矿井下照明电源需要的输入端整流级及隔离部分的D/DC变换级，其与传统的电力电子变压器中相应的结构相比结构简单，较容易实现。

5结语

本文介绍了一种的三相AC/DC变换器。这种电路拓扑结构仅仅使用了三个开关管，大大简化了电路的结构，实现较容易，能够比较灵活的应用于煤矿井下无工频变压器电源的设计。该电路采用PWM整流方法，输入端功率因数高，可以实现单位功率因数运行；输出电压稳定、调整方便、动作可靠、性能好。现代电力电子技术的发展为煤矿井下无工频变压器电源的研究提供了理论和技术基础，本文仅就相关技术方案提出了一种新的电路结构，随着电力电子技术的不断进步，采用电力电子技术构成的煤矿井下无工频变压器电源将会得到广泛的推广和应用。

责任编辑：gt