煤礦低壓配電系統中電子變壓器探究

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摘要：提出了適用于煤礦井下低壓配電系統中電力電子變壓器的設計方案，介紹了電力電子變壓器的工作原理，設計了變壓器的拓撲電路和控制方法，利用MATLAB/Simulink仿真軟件對拓撲電路進行仿真。結果表明該電力電子變壓器能夠輸出恒定127V交流電壓。

關鍵詞：電力電子變壓器；煤礦井下；配電系統；控制策略

0引言

目前井下使用的照明綜保裝置還是以傳統工頻變壓器為主。傳統配電變壓器因價格低、可靠性高等優勢而使用廣泛，但其缺點也很明顯，體積大、重量大；可控性差；變壓器油污染環境等。隨著電力電子技術、控制技術和半導體器件等學科的發展，電力電子變壓器受到極大關注和發展。電力電子變壓器不僅具備傳統變壓器變壓、隔離等功能，還有體積小、重量輕；無需變壓器油，不污染環境；功率因數可調；同時有交直流環節，可控性好等優點。本文對電力電子變壓器工作原理、拓撲電路、控制方法等問題進行了研究，提出用于煤礦井下低壓配電系統中電力電子變壓器的實現方案；并對拓撲電路進行軟件仿真，結果顯示該結構的電力電子變壓器能夠實現網側電壓穩定，功率因數高；輸出電壓穩定，可控性好。

1電力電子變壓器的工作原理

電力電子變壓器（PET）的主要思想是實現高頻變換。根據能量傳輸過程中是否含DC環節可分為AC/AC型和AC/DC/AC型2類；為AC/AC型，其工作原理：電網側輸入工頻交流電被調制為高頻信號，然后經高頻變壓器將高頻信號耦合到二次側，再解調為工頻交流信號；為含有DC環節的AC/DC/AC型PET，其工作原理：電網側輸入工頻交流電，通過整流器整流為直流，經逆變環節調制為高頻信號，經高頻變壓器耦合到變壓器二次側，再整流為低壓直流，通過逆變器輸出所需交流電壓。2種結構比較，AC/DC/AC型PET能提高電能質量，可控性好，是PET發展的主要方向.本文設計的AC/DC/AC型電力電子變壓器。其工作過程：電網側提供三相工頻交流電，經濾波器輸入到三相全控橋式整流器，整流為直流電，再由單相橋式逆變器逆變為高頻方波，輸入到高頻變壓器一次側，通過高頻變壓器耦合到二次側，進入隔離級整流器，因井下配電系統中不考慮能量回饋，故采用不可控橋式整流器，輸出低壓直流，經逆變器逆變成低壓工頻交流電，再通過LC濾波器輸出給井下負載供電。其中，濾波器中電感為附加電抗器，起儲存能量和平衡電壓的作用，電容為穩壓電容，用于穩定直流側輸出電壓。同時因為存在直流環節，當電源發生電壓波動時，PET能夠避免網側和負載側相互影響，維持輸出電壓恒定。

2控制策略分析

2.1高壓輸入級控制策略

高壓輸入級包括濾波器和三相橋式整流器2部分，其控制目標是將輸入高壓交流電整流為直流電，并確保整流器交流側在單位功率因數下工作。高壓輸入級整流器采用雙閉環控制方法，電壓外環控制和電流內環控制，并結合dq解耦控制和電壓前饋控制方法，控制框圖。電壓外環控制確保輸出電壓保持穩定；電流內環控制實現交流側在單位功率因數下運行；并結合前饋解耦控制，對有功、無功分量進行獨立控制；控制過程：將直流電壓測量值與設定參考值送至比較器，經PI調節器作用后，將其作為d軸電流參考值；同時，三相電流經派克變換轉換為dq軸分量，分別與dq軸分量設定參考值比較，通過PI調節器后，然后與網側電壓信號、耦合信號一起進比較器求和，然后比較器輸出信號輸入到PWM信號發生器，產生PWM控制信號對整流器實現控制。

2.2中間DC/DC隔離級控制策略

隔離級包括高頻變壓器、一次側單相逆變器和二次側不可控整流器3部分，其控制目標是實現電氣隔離、電壓變換。因井下配電系統不考慮能量雙向流動，故高頻變壓器二次側采用二極管不可控整流方式，簡化了拓撲電路；隔離級采用開環PWM控制，即采用占空比設定的PWM控制信號驅動變壓器一次側逆變器的功率開關，該控制策略有助于簡化控制系統。

2.3低壓輸出級控制策略

低壓輸出級包括橋式逆變器、濾波器2部分，其控制目標是確保輸出電壓恒壓恒頻、波形正弦。輸出級控制方法選為定交流相電壓雙閉環控制，雙閉環控制系統框圖。其中ΔUdc2表示高頻變壓器二次側直流電壓變化量，Lf、Cf分別表示輸出側濾波電感和電容。控制原理：將實測的輸出相電壓經電壓有效值計算電路得到輸出電壓有效值，與設定的輸出相電壓參考值共同送入比較器作差，將差值輸入PI調節器調節，再乘以理想正弦信號，其輸出值可作為內環閉環控制中電壓瞬時值的參考值，在內環控制中，把實測的相電壓瞬時值和設定的參考值共同送入比較器，輸出誤差信號，將該信號經調節器送入比較器，和PWM波進行比較，其輸出信號作用于PWM信號發生器，形成觸發脈沖，對輸出級逆變器進行控制，實現輸出級雙閉環控制。輸出級逆變器采用外環控制，理論上可以控制輸出電壓有效值恒定，確保當系統受到擾動時能輸出穩定電壓。內環控制理論上可以使輸出電壓瞬時值保持較好的正弦波形，能提高電能質量。

3仿真結果及分析

為了驗證電力電子變壓器方案的正確性和有效性，利用MATLAB/Simulink仿真軟件對拓撲電路進行仿真驗證。仿真系統中主要參數：輸入級：線電壓有效值660V，頻率50Hz，濾波電感1.2mH，穩壓電容2400μF，開關頻率10kHz；隔離級：工作頻率10kHz，變壓器變比4.5:1，穩壓電容1500μF；輸出級：功率開關頻率10kHz，濾波器中濾波電感0.5mH，穩壓電容400μF。輸出級逆變器輸出的電壓波形，大約在0.03s之后方波電壓趨于恒定205V；輸出級逆變器輸出后經濾波器輸出的電壓波形，在0.03~0.05s之后電壓波形逐漸趨于穩定正弦波形，輸出峰值電壓為180V，輸出電壓有效值為127V。

4結語

介紹了電力電子變壓器的工作原理，提出了一種適用于煤礦井下低壓配電系統的電力電子變壓器的設計方案，設計了拓撲電路及其各部分的控制方法，利用軟件對電路進行了仿真，仿真結果表明，該電力電子變壓器的拓撲電路及其控制方法可行。針對PET在煤礦低壓配電系統中的應用還有成本高、防爆性能等很多具體問題需要研究,需要廣大科研工作者的努力。

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作者:宇文超敏 魏晉宏 羅偉 單位:太原理工大學