矿用蓄电池充电机中一种三相变换器的设计与研究

杨 超 郑建兰 卢 军 崔昊辰

（安徽理工大学，安徽 淮南232001）

0 前言

传统的矿用蓄电池充电器，主电路主要由整流，逆变，变压器隔离，整流等部分组成，对于功率因数的校正没有过多的采取措施，充电机的前级为AC/DC 整流电路，直接将电网的电引入并整定为直流电，但是由与整流二极管与滤波电容所组成的整流滤波电路是一种非线性元件与储能元件的组合，另外还由于整流原件的导通角不足会引起输入交流电的畸变，功率因数下降，对电网形成干扰。基于这种情况通过研究提出了一种三相无桥BOOST 变换器，通过仿真发现变换器输出直流波形良好，输入功率因数较高，具有一定的使用价值。

1 变换器拓扑结构

如图1 所示为一种矿用传统的矿用蓄电池充电机的主电路结构，主电路由高频变压器隔离为前级与后级，前级主要由整流模块和逆变模块组成，实现AC/DC/AC,后级主要由快速二极管整流模块和滤波模块组成，实现AC/DC 和滤波,通过前后级的处理，可以实现AC/DC/AC/DC。我们现在对于前级进行研究，设计一种BOOST 变换器来代替前级的整流模块，所设计的变换器如图2 所示，由三个相同的单相无桥变换器并联而成，每个单相变换器由4 个二极管，2 个电感，2 个开关管组成，相当于两个传统的BOOST 电路并联而成。这种变换器由于是通过3 个并联电路进行传输的，因此每一相传输功率是总输出功率的1/3，变换器也具有效率和尺寸方面的优势。

图1 铅酸蓄电池充电机充电电路结构图

图2 三相无桥BOOST 变换器

三相变换器工作的任一时刻，每一相的瞬时的输出电流都为正值，同时随着时间呈正弦规律变化。但是，因为输出电流各相依次相差120o 的相角，三相波动的输出电流叠加形成了恒定的总输出电流，一般剩余纹波电流大约为直流负载电流的5%，同时接近滤波频率，并且比基波频率高出很多，这将会极大减小滤波电容的尺寸，从而减小了三相整流器的尺寸与成本。

2 变换器的工作原理

如图2 所示，三相无桥BOOST 变换器是由三个相同的单相无桥BOOST 变换器组成，我们为了方便对于电路原理的分析，我们对于其中一相电路进行分析，因此我们对于U 相进行分析，U 相的电路由4个快恢复二极管D1，D2，D3，D4，2 个开关管S1,S2，2 个电感L1,L2 组成，现在我们假设开关管，二级管都是理想的原件，可以实现瞬时的导通与截止，导通时压降为0，截止时漏电流是0。开关管S1，S2 的驱动信号相同，单相的无桥BOOST 变换器相当于两个电压相反的BOOST变换器的组合。在一个周期内有4 种工作状态，如图3 所示。

1）电网侧的输入电压为正半周期

工作状态1：开关管S1 导通，L1，S1，D4 组成回路，此时对L1 处于充电状态，因为二极管D1，D2 在状态1 的时候承受的是反向电压，此时电容C1 向负载R 供电而不能通过开关管放电。

工作状态2：开关管S1 断开，L1 放电，此时L1 两端电压VL 与电源电压V 串联，负载和电容C1 两端的电压高于V0，当A 点的电压高于Vo 时，电容进行充电，有充电电流，当负载两端的电压低于V0 时，电容向负载供电时负载两端的电压维持稳定。

2）电网侧的输入电压为负半周期

工作状态3：电路是对称的，状态3 的原理与状态1 相似，此时开关管S2 导通，L2，S2 D2 组成回路，电感L2 处于储能状态，C1 向负载供电。

工作状态4：与工作状态2 是相似，开关管S2 断开，电感L2 两端电压V2 与电源电压V 串联，当B 点电压高于VB 高于V0 时，电容处于充电状态，当V0 有降低的趋势时，电容向负载放电维持电压稳定。

三相每相在任意时刻都有输出的直流电压源，由于在一个周期内单相的BOOST 变换器的任一时刻的工作状态都相当于一个传统的BOOST 电路。每项的输入电压为V0，三相变换器输出电压为Vd，输出电流为I，占空比为D，负载电阻为R 则：

3 仿真实验

对于以上建立的三相PFC 变换器，我们在仿真软件matlab 下建立了对应的模型，升压电感为40mH，负载电阻R 为100Ω，滤波电容C1，C2，C3 取 为85uF，滤 波 电 容C 为100uF，IGBT 的 开 关 频 率 为20kHz，输入为380V，50Hz 三相交流电，经过短暂的调整后，电流可以很好的跟随电压，图5 显示输出直流电压波形，经过短暂的调整后，电压基本稳定在500V 左右，图6 是对图5 的电压波形进行了FFT 分析，选用基波100Hz，THD 比较理想，通过三相功率表的测量得出功率因数达到了0.99，很好的达到了整定的效果。

图4 变换器仿真模型

图5 U 相输入电压与电流波形

图6 输出电压波形

图7 输出直流电压FFT 分析

4 结论

通过以上的相关的仿真结果分析，本文以矿用的铅酸蓄电池为研究背景设计的三相PFC 变换器具有较好的整流与功率因数校正的双重功能，在仿真上得到实现，但是对于三相之间的耦合与隔离还得做进一步深入的研究，对于带有功率因数整定的三相整流器的进一研究与推广有一定的意义。

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