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1、煤礦低壓配電系統(tǒng)中電子變壓器探究
摘要：提出了適用于煤礦井下低壓配電系統(tǒng)中電力電子變壓器的設(shè)計方案，介紹了電力電子變壓器的工作原理，設(shè)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(jié)果表明該電力電子變壓器能夠輸出恒定127V交流電壓。
關(guān)鍵詞：電力電子變壓器；煤礦井下；配電系統(tǒng)；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(tǒng)工頻變壓器為主。傳統(tǒng)配電變壓器因價格低、可靠性高等優(yōu)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(huán)境等。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和半導(dǎo)
2、體器件等學科的發(fā)展，電力電子變壓器受到極大關(guān)注和發(fā)展。電力電子變壓器不僅具備傳統(tǒng)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(huán)境；功率因數(shù)可調(diào)；同時有交直流環(huán)節(jié)，可控性好等優(yōu)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(tǒng)中電力電子變壓器的實現(xiàn)方案；并對拓撲電路進行軟件仿真，結(jié)果顯示該結(jié)構(gòu)的電力電子變壓器能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定，功率因數(shù)高；輸出電壓穩(wěn)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(xiàn)高頻變換。根據(jù)能量傳輸過程中是否含DC環(huán)節(jié)可分為AC/AC型和A
3、C/DC/AC型2類；為AC/AC型，其工作原理：電網(wǎng)側(cè)輸入工頻交流電被調(diào)制為高頻信號，然后經(jīng)高頻變壓器將高頻信號耦合到二次側(cè)，再解調(diào)為工頻交流信號；為含有DC環(huán)節(jié)的AC/DC/AC型PET，其工作原理：電網(wǎng)側(cè)輸入工頻交流電，通過整流器整流為直流，經(jīng)逆變環(huán)節(jié)調(diào)制為高頻信號，經(jīng)高頻變壓器耦合到變壓器二次側(cè)，再整流為低壓直流，通過逆變器輸出所需交流電壓。2種結(jié)構(gòu)比較，AC/DC/AC型PET能提高電能質(zhì)量，可控性好，是PET發(fā)展的主要方向.本文設(shè)計的AC/DC/AC型電力電子變壓器。其工作過程：電網(wǎng)側(cè)提供三相工頻交流電，經(jīng)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?yōu)楦哳l方
4、波，輸入到高頻變壓器一次側(cè)，通過高頻變壓器耦合到二次側(cè)，進入隔離級整流器，因井下配電系統(tǒng)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(jīng)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(wěn)壓電容，用于穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓。同時因為存在直流環(huán)節(jié)，當電源發(fā)生電壓波動時，PET能夠避免網(wǎng)側(cè)和負載側(cè)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
5、流側(cè)在單位功率因數(shù)下工作。高壓輸入級整流器采用雙閉環(huán)控制方法，電壓外環(huán)控制和電流內(nèi)環(huán)控制，并結(jié)合dq解耦控制和電壓前饋控制方法，控制框圖。電壓外環(huán)控制確保輸出電壓保持穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)控制實現(xiàn)交流側(cè)在單位功率因數(shù)下運行；并結(jié)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(shè)定參考值送至比較器，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器作用后，將其作為d軸電流參考值；同時，三相電流經(jīng)派克變換轉(zhuǎn)換為dq軸分量，分別與dq軸分量設(shè)定參考值比較，通過PI調(diào)節(jié)器后，然后與網(wǎng)側(cè)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(fā)生器，產(chǎn)生PWM控制信號對整流器實現(xiàn)控制。
2.2
6、中間DC/DC隔離級控制策略
隔離級包括高頻變壓器、一次側(cè)單相逆變器和二次側(cè)不可控整流器3部分，其控制目標是實現(xiàn)電氣隔離、電壓變換。因井下配電系統(tǒng)不考慮能量雙向流動，故高頻變壓器二次側(cè)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(huán)PWM控制，即采用占空比設(shè)定的PWM控制信號驅(qū)動變壓器一次側(cè)逆變器的功率開關(guān)，該控制策略有助于簡化控制系統(tǒng)。
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(huán)控制，雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖。其中ΔUdc2表示高頻變壓器二
7、次側(cè)直流電壓變化量，Lf、Cf分別表示輸出側(cè)濾波電感和電容?？刂圃恚簩崪y的輸出相電壓經(jīng)電壓有效值計算電路得到輸出電壓有效值，與設(shè)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(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，再乘以理想正弦信號，其輸出值可作為內(nèi)環(huán)閉環(huán)控制中電壓瞬時值的參考值，在內(nèi)環(huán)控制中，把實測的相電壓瞬時值和設(shè)定的參考值共同送入比較器，輸出誤差信號，將該信號經(jīng)調(diào)節(jié)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(fā)生器，形成觸發(fā)脈沖，對輸出級逆變器進行控制，實現(xiàn)輸出級雙閉環(huán)控制。輸出級逆變器采用外環(huán)控制，理論上可以控制輸出電壓有效值恒定，確保當系統(tǒng)受到擾動時能輸出穩(wěn)定電壓。內(nèi)環(huán)控制理論上可以
8、使輸出電壓瞬時值保持較好的正弦波形，能提高電能質(zhì)量。
3仿真結(jié)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(tǒng)中主要參數(shù)：輸入級：線電壓有效值660V，頻率50Hz，濾波電感1.2mH，穩(wěn)壓電容2400μF，開關(guān)頻率10kHz；隔離級：工作頻率10kHz，變壓器變比4.5:1，穩(wěn)壓電容1500μF；輸出級：功率開關(guān)頻率10kHz，濾波器中濾波電感0.5mH，穩(wěn)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(jīng)濾波器輸出的電
9、壓波形，在0.03~0.05s之后電壓波形逐漸趨于穩(wěn)定正弦波形，輸出峰值電壓為180V，輸出電壓有效值為127V。
4結(jié)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(tǒng)的電力電子變壓器的設(shè)計方案，設(shè)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(jié)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(tǒng)中的應(yīng)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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煤礦低壓配電系統(tǒng)中電子變壓器探究
