礦用蓄電池充電機(jī)中一種三相變換器的設(shè)計(jì)與研究

楊 超 鄭建蘭 盧 軍 崔昊辰

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南232001）

0 前言

傳統(tǒng)的礦用蓄電池充電器，主電路主要由整流，逆變，變壓器隔離，整流等部分組成，對(duì)于功率因數(shù)的校正沒有過(guò)多的采取措施，充電機(jī)的前級(jí)為AC/DC 整流電路，直接將電網(wǎng)的電引入并整定為直流電，但是由與整流二極管與濾波電容所組成的整流濾波電路是一種非線性元件與儲(chǔ)能元件的組合，另外還由于整流原件的導(dǎo)通角不足會(huì)引起輸入交流電的畸變，功率因數(shù)下降，對(duì)電網(wǎng)形成干擾?；谶@種情況通過(guò)研究提出了一種三相無(wú)橋BOOST 變換器，通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)變換器輸出直流波形良好，輸入功率因數(shù)較高，具有一定的使用價(jià)值。

1 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖1 所示為一種礦用傳統(tǒng)的礦用蓄電池充電機(jī)的主電路結(jié)構(gòu)，主電路由高頻變壓器隔離為前級(jí)與后級(jí)，前級(jí)主要由整流模塊和逆變模塊組成，實(shí)現(xiàn)AC/DC/AC,后級(jí)主要由快速二極管整流模塊和濾波模塊組成，實(shí)現(xiàn)AC/DC 和濾波,通過(guò)前后級(jí)的處理，可以實(shí)現(xiàn)AC/DC/AC/DC。我們現(xiàn)在對(duì)于前級(jí)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)一種BOOST 變換器來(lái)代替前級(jí)的整流模塊，所設(shè)計(jì)的變換器如圖2 所示，由三個(gè)相同的單相無(wú)橋變換器并聯(lián)而成，每個(gè)單相變換器由4 個(gè)二極管，2 個(gè)電感，2 個(gè)開關(guān)管組成，相當(dāng)于兩個(gè)傳統(tǒng)的BOOST 電路并聯(lián)而成。這種變換器由于是通過(guò)3 個(gè)并聯(lián)電路進(jìn)行傳輸?shù)模虼嗣恳幌鄠鬏敼β适强傒敵龉β实?/3，變換器也具有效率和尺寸方面的優(yōu)勢(shì)。

圖1 鉛酸蓄電池充電機(jī)充電電路結(jié)構(gòu)圖

圖2 三相無(wú)橋BOOST 變換器

三相變換器工作的任一時(shí)刻，每一相的瞬時(shí)的輸出電流都為正值，同時(shí)隨著時(shí)間呈正弦規(guī)律變化。但是，因?yàn)檩敵鲭娏鞲飨嘁来蜗嗖?20o 的相角，三相波動(dòng)的輸出電流疊加形成了恒定的總輸出電流，一般剩余紋波電流大約為直流負(fù)載電流的5%，同時(shí)接近濾波頻率，并且比基波頻率高出很多，這將會(huì)極大減小濾波電容的尺寸，從而減小了三相整流器的尺寸與成本。

2 變換器的工作原理

如圖2 所示，三相無(wú)橋BOOST 變換器是由三個(gè)相同的單相無(wú)橋BOOST 變換器組成，我們?yōu)榱朔奖銓?duì)于電路原理的分析，我們對(duì)于其中一相電路進(jìn)行分析，因此我們對(duì)于U 相進(jìn)行分析，U 相的電路由4個(gè)快恢復(fù)二極管D1，D2，D3，D4，2 個(gè)開關(guān)管S1,S2，2 個(gè)電感L1,L2 組成，現(xiàn)在我們假設(shè)開關(guān)管，二級(jí)管都是理想的原件，可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)的導(dǎo)通與截止，導(dǎo)通時(shí)壓降為0，截止時(shí)漏電流是0。開關(guān)管S1，S2 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同，單相的無(wú)橋BOOST 變換器相當(dāng)于兩個(gè)電壓相反的BOOST變換器的組合。在一個(gè)周期內(nèi)有4 種工作狀態(tài)，如圖3 所示。

1）電網(wǎng)側(cè)的輸入電壓為正半周期

工作狀態(tài)1：開關(guān)管S1 導(dǎo)通，L1，S1，D4 組成回路，此時(shí)對(duì)L1 處于充電狀態(tài)，因?yàn)槎O管D1，D2 在狀態(tài)1 的時(shí)候承受的是反向電壓，此時(shí)電容C1 向負(fù)載R 供電而不能通過(guò)開關(guān)管放電。

工作狀態(tài)2：開關(guān)管S1 斷開，L1 放電，此時(shí)L1 兩端電壓VL 與電源電壓V 串聯(lián)，負(fù)載和電容C1 兩端的電壓高于V0，當(dāng)A 點(diǎn)的電壓高于Vo 時(shí)，電容進(jìn)行充電，有充電電流，當(dāng)負(fù)載兩端的電壓低于V0 時(shí)，電容向負(fù)載供電時(shí)負(fù)載兩端的電壓維持穩(wěn)定。

2）電網(wǎng)側(cè)的輸入電壓為負(fù)半周期

工作狀態(tài)3：電路是對(duì)稱的，狀態(tài)3 的原理與狀態(tài)1 相似，此時(shí)開關(guān)管S2 導(dǎo)通，L2，S2 D2 組成回路，電感L2 處于儲(chǔ)能狀態(tài)，C1 向負(fù)載供電。

工作狀態(tài)4：與工作狀態(tài)2 是相似，開關(guān)管S2 斷開，電感L2 兩端電壓V2 與電源電壓V 串聯(lián)，當(dāng)B 點(diǎn)電壓高于VB 高于V0 時(shí)，電容處于充電狀態(tài)，當(dāng)V0 有降低的趨勢(shì)時(shí)，電容向負(fù)載放電維持電壓穩(wěn)定。

三相每相在任意時(shí)刻都有輸出的直流電壓源，由于在一個(gè)周期內(nèi)單相的BOOST 變換器的任一時(shí)刻的工作狀態(tài)都相當(dāng)于一個(gè)傳統(tǒng)的BOOST 電路。每項(xiàng)的輸入電壓為V0，三相變換器輸出電壓為Vd，輸出電流為I，占空比為D，負(fù)載電阻為R 則：

3 仿真實(shí)驗(yàn)

對(duì)于以上建立的三相PFC 變換器，我們?cè)诜抡孳浖atlab 下建立了對(duì)應(yīng)的模型，升壓電感為40mH，負(fù)載電阻R 為100Ω，濾波電容C1，C2，C3 取 為85uF，濾 波 電 容C 為100uF，IGBT 的 開 關(guān) 頻 率 為20kHz，輸入為380V，50Hz 三相交流電，經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整后，電流可以很好的跟隨電壓，圖5 顯示輸出直流電壓波形，經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整后，電壓基本穩(wěn)定在500V 左右，圖6 是對(duì)圖5 的電壓波形進(jìn)行了FFT 分析，選用基波100Hz，THD 比較理想，通過(guò)三相功率表的測(cè)量得出功率因數(shù)達(dá)到了0.99，很好的達(dá)到了整定的效果。

圖4 變換器仿真模型

圖5 U 相輸入電壓與電流波形

圖6 輸出電壓波形

圖7 輸出直流電壓FFT 分析

4 結(jié)論

通過(guò)以上的相關(guān)的仿真結(jié)果分析，本文以礦用的鉛酸蓄電池為研究背景設(shè)計(jì)的三相PFC 變換器具有較好的整流與功率因數(shù)校正的雙重功能，在仿真上得到實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)于三相之間的耦合與隔離還得做進(jìn)一步深入的研究，對(duì)于帶有功率因數(shù)整定的三相整流器的進(jìn)一研究與推廣有一定的意義。

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