SCOTT變壓器在船用直流UPS電源中的應(yīng)用

聞琦 龔亞樵

（1. 海軍92730部隊(duì)，海南572016；2. 海軍裝備部，北京100841）

0 引言

直流UPS電源由于其體積小、噪聲低、性能穩(wěn)定、易于維修等優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，在艦船裝備中也占有越來越重要的地位。直流UPS裝置為艦船的動(dòng)力、前后電站、通訊等系統(tǒng)提供直流連續(xù)電源，其性能好壞直接關(guān)系到這些系統(tǒng)、設(shè)備能否正常工作。

傳統(tǒng)的船用直流 UPS系統(tǒng)采用相控整流技術(shù)，其設(shè)備存在體積大、輸出噪聲電壓峰-峰值大、轉(zhuǎn)換效率低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、交流輸入電流畸變率高等缺點(diǎn)。隨著船用電源系統(tǒng)的電磁兼容性要求越來越嚴(yán)格，對(duì)直流UPS電源的輸入電流波形畸變率也要求越來越嚴(yán)格。新一代高性能整流器具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，即具有功率因數(shù)校正功能。近年來功率因數(shù)校正電路得到了很大的發(fā)展，成為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。單相功率因數(shù)校正技術(shù)有商品化的控制芯片可利用。對(duì)于三相功率因數(shù)校正，由于開關(guān)管數(shù)目的增加，控制復(fù)雜，當(dāng)前仍在不斷研究之中[1-3]。一般的民用產(chǎn)品多是采用三個(gè)單相功率因數(shù)校正電路來實(shí)現(xiàn)三相功率因數(shù)校正，艦船上采用三相三線制供電系統(tǒng)，而單相功率因數(shù)校正的控制芯片都是適用在單相220 V內(nèi)的，輸入電壓為380 V的單相功率因數(shù)校正電路以及 DC/DC電路的設(shè)計(jì)和元器件的選型都有很大的困難。本文通過采用 Scott變壓器將三相380 V輸入轉(zhuǎn)變?yōu)閮上?20 V作為單相功率因數(shù)校正電路的輸入，就可以利用成熟的單相功率因數(shù)校正技術(shù)，而且由于 Scott變壓器的隔離作用也提高了直流電源的可靠性。

1 設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)的原理框圖如圖 1所示。通過 Scott變壓器把三相三線制的380 V交流輸入變換成兩路220 V的單相交流電，APFC模塊為單相功率因數(shù)校正模塊，輸出電壓為直流400 V；DC-DC實(shí)現(xiàn)直流降壓，兩路輸出并聯(lián)后給負(fù)載供電，控制環(huán)節(jié)需要考慮均流問題。

圖1 電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1.1 Scott變換的原理

圖2 Scott變壓器的接線圖和相量圖

Scott變壓器接線圖[4]如圖2（a），設(shè)三相輸入電壓的相電壓分別為VA、VB、VC，兩個(gè)次級(jí)繞組電壓分別為 V1和 V2，且則有向量圖如圖2（b）所示：

1.2 APFC環(huán)節(jié)

功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)采用高性能的集成控制芯片IR1150，是一種采用單周期控制專利技術(shù)的CCM-PFC控制器，它無需傳統(tǒng)PFC電路所需要的模擬乘法器、輸入電壓采樣及固定三角波振蕩器，在提供同樣高系統(tǒng)性能的前提下，可使外部元件數(shù)量、PCB面積和設(shè)計(jì)時(shí)間幾乎縮減50%[5]。

APFC的目的是使輸入電流 ig的低頻波形（50 Hz）跟隨全波整流后的輸入電壓波形 ug，同時(shí)又要保持輸出電壓恒定為VO。若控制電路的控制策略滿足了輸入電流與輸入電壓成比例，整個(gè)變換器可以等效為一個(gè)電阻Re，則有

式中：Rs為變換器等效電阻。

對(duì)于Boost變換器則有

式中：RS為輸入電流檢測(cè)電阻； D為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形占空比。

定義 VORs/Rg= Vm為控制電壓，則有

式中：T為開關(guān)周期。

根據(jù)式（6），建立單周期控制的原理框圖如圖（3）所示。

通過APFC環(huán)節(jié)，得到一個(gè)400 V直流電壓作為 DC-DC環(huán)節(jié)的輸入，并保證不控整流橋的輸入電流為正弦波。

1.3 DC-DC環(huán)節(jié)

DC-DC環(huán)節(jié)采用雙管正激式PWM轉(zhuǎn)換器，如圖4所示，其變壓器初級(jí)繞組與兩個(gè)開關(guān)S1、S2串聯(lián)，S1、S2在PWM脈沖作用下同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，在每個(gè)開關(guān)和初級(jí)繞組之間，各并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管D1、D2，使得開關(guān)S1、S2關(guān)斷時(shí)，變壓器的儲(chǔ)能有一個(gè)釋放通路，經(jīng)過D1、D2回饋到直流輸入電源。因此，雙管正激式轉(zhuǎn)換器不必另加磁復(fù)位措施。此外，二極管D1、D2還起鉗位作用，將S1、S2承受的電壓鉗位到輸入電壓Ui。雙管正激式轉(zhuǎn)換器，可以應(yīng)用到較高電壓輸入，較大功率輸出的場(chǎng)合。每個(gè)開關(guān)管承受的最大電壓為Ui，和單管正激式轉(zhuǎn)換器相比，開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力降低了一半[6]。

圖3 單周期控制的APFC原理框圖

圖4 雙管正激式轉(zhuǎn)換器

此環(huán)節(jié)輸出電壓的控制采用 UC3844，UC3844是電流型PWM模式集成控制芯片，廣泛用于中小功率的DC-DC開關(guān)電源，UC3844的控制原理如圖5所示。

圖5 UC3844控制原理框圖

由外環(huán)電壓調(diào)節(jié)器輸出的電壓誤差放大信號(hào)Ue作為內(nèi)環(huán)的電流參考值。i為主電路開關(guān)管的電流，電流檢測(cè)信號(hào)與電流給定值Ue之間的誤差，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器放大后產(chǎn)生出控制信號(hào)Uc、Uc再經(jīng)過 PWM 調(diào)制器產(chǎn)生出占空比 Du可變的開關(guān)脈沖。電流型控制，除了可以改善PWM轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性外，還可以實(shí)現(xiàn)快速過電流保護(hù)，并具有自動(dòng)限流的能力，并且容易實(shí)現(xiàn)多個(gè)DC/DC、PWM轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)均流等。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖1所示原理框圖構(gòu)建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，輸入電壓為三相三線制線電壓380 V，樣機(jī)額定功率為1.5 kW，額定輸出電壓為27 V，輸入電壓、電流波形如圖7（a）所示，輸出電壓波形如圖7（b）所示，試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）輸入電流波形基本接近理想正弦波，功率因數(shù)為0.998，THD值為3%；

（2）輸出直流電壓波形穩(wěn)定，紋波電壓＜2%。

圖7 輸入電壓電流波形和輸出電壓波形

3 結(jié)論

目前，在三相功率因數(shù)校正控制技術(shù)尚未取得成熟應(yīng)用的情況下，針對(duì)船用三相供電系統(tǒng)無中線的情況，通過Scott變壓器變成兩路220 V，即可利用現(xiàn)有的單相APFC控制芯片控制每個(gè)單相，然后經(jīng)過DC/DC降壓使輸出電壓穩(wěn)定在27 V，兩相輸出直接并聯(lián)，并通過均流芯片均流。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，以這種方法實(shí)現(xiàn)三相功率因數(shù)校正是一種可行、可靠且易推廣的方法。

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