礦用蓄電池充電機中一種三相變換器的設計與研究

楊 超 鄭建蘭 盧 軍 崔昊辰

（安徽理工大學，安徽 淮南232001）

0 前言

傳統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，對于功率因數的校正沒有過多的采取措施，充電機的前級為AC/DC 整流電路，直接將電網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能元件的組合，另外還由于整流原件的導通角不足會引起輸入交流電的畸變，功率因數下降，對電網形成干擾。基于這種情況通過研究提出了一種三相無橋BOOST 變換器，通過仿真發現變換器輸出直流波形良好，輸入功率因數較高，具有一定的使用價值。

1 變換器拓撲結構

如圖1 所示為一種礦用傳統的礦用蓄電池充電機的主電路結構，主電路由高頻變壓器隔離為前級與后級，前級主要由整流模塊和逆變模塊組成，實現AC/DC/AC,后級主要由快速二極管整流模塊和濾波模塊組成，實現AC/DC 和濾波,通過前后級的處理，可以實現AC/DC/AC/DC。我們現在對于前級進行研究，設計一種BOOST 變換器來代替前級的整流模塊，所設計的變換器如圖2 所示，由三個相同的單相無橋變換器并聯而成，每個單相變換器由4 個二極管，2 個電感，2 個開關管組成，相當于兩個傳統的BOOST 電路并聯而成。這種變換器由于是通過3 個并聯電路進行傳輸的，因此每一相傳輸功率是總輸出功率的1/3，變換器也具有效率和尺寸方面的優勢。

圖1 鉛酸蓄電池充電機充電電路結構圖

圖2 三相無橋BOOST 變換器

三相變換器工作的任一時刻，每一相的瞬時的輸出電流都為正值，同時隨著時間呈正弦規律變化。但是，因為輸出電流各相依次相差120o 的相角，三相波動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載電流的5%，同時接近濾波頻率，并且比基波頻率高出很多，這將會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，三相無橋BOOST 變換器是由三個相同的單相無橋BOOST 變換器組成，我們為了方便對于電路原理的分析，我們對于其中一相電路進行分析，因此我們對于U 相進行分析，U 相的電路由4個快恢復二極管D1，D2，D3，D4，2 個開關管S1,S2，2 個電感L1,L2 組成，現在我們假設開關管，二級管都是理想的原件，可以實現瞬時的導通與截止，導通時壓降為0，截止時漏電流是0。開關管S1，S2 的驅動信號相同，單相的無橋BOOST 變換器相當于兩個電壓相反的BOOST變換器的組合。在一個周期內有4 種工作狀態，如圖3 所示。

1）電網側的輸入電壓為正半周期

工作狀態1：開關管S1 導通，L1，S1，D4 組成回路，此時對L1 處于充電狀態，因為二極管D1，D2 在狀態1 的時候承受的是反向電壓，此時電容C1 向負載R 供電而不能通過開關管放電。

工作狀態2：開關管S1 斷開，L1 放電，此時L1 兩端電壓VL 與電源電壓V 串聯，負載和電容C1 兩端的電壓高于V0，當A 點的電壓高于Vo 時，電容進行充電，有充電電流，當負載兩端的電壓低于V0 時，電容向負載供電時負載兩端的電壓維持穩定。

2）電網側的輸入電壓為負半周期

工作狀態3：電路是對稱的，狀態3 的原理與狀態1 相似，此時開關管S2 導通，L2，S2 D2 組成回路，電感L2 處于儲能狀態，C1 向負載供電。

工作狀態4：與工作狀態2 是相似，開關管S2 斷開，電感L2 兩端電壓V2 與電源電壓V 串聯，當B 點電壓高于VB 高于V0 時，電容處于充電狀態，當V0 有降低的趨勢時，電容向負載放電維持電壓穩定。

三相每相在任意時刻都有輸出的直流電壓源，由于在一個周期內單相的BOOST 變換器的任一時刻的工作狀態都相當于一個傳統的BOOST 電路。每項的輸入電壓為V0，三相變換器輸出電壓為Vd，輸出電流為I，占空比為D，負載電阻為R 則：

3 仿真實驗

對于以上建立的三相PFC 變換器，我們在仿真軟件matlab 下建立了對應的模型，升壓電感為40mH，負載電阻R 為100Ω，濾波電容C1，C2，C3 取 為85uF，濾 波 電 容C 為100uF，IGBT 的 開 關 頻 率 為20kHz，輸入為380V，50Hz 三相交流電，經過短暫的調整后，電流可以很好的跟隨電壓，圖5 顯示輸出直流電壓波形，經過短暫的調整后，電壓基本穩定在500V 左右，圖6 是對圖5 的電壓波形進行了FFT 分析，選用基波100Hz，THD 比較理想，通過三相功率表的測量得出功率因數達到了0.99，很好的達到了整定的效果。

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 結論

通過以上的相關的仿真結果分析，本文以礦用的鉛酸蓄電池為研究背景設計的三相PFC 變換器具有較好的整流與功率因數校正的雙重功能，在仿真上得到實現，但是對于三相之間的耦合與隔離還得做進一步深入的研究，對于帶有功率因數整定的三相整流器的進一研究與推廣有一定的意義。

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