煤矿低压配电系统中电子变压器探究

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摘要：提出了适用于煤矿井下低压配电系统中电力电子变压器的设计方案，介绍了电力电子变压器的工作原理，设计了变压器的拓扑电路和控制方法，利用MATLAB/Simulink仿真软件对拓扑电路进行仿真。结果表明该电力电子变压器能够输出恒定127V交流电压。

关键词：电力电子变压器；煤矿井下；配电系统；控制策略

0引言

目前井下使用的照明综保装置还是以传统工频变压器为主。传统配电变压器因价格低、可靠性高等优势而使用广泛，但其缺点也很明显，体积大、重量大；可控性差；变压器油污染环境等。随着电力电子技术、控制技术和半导体器件等学科的发展，电力电子变压器受到极大关注和发展。电力电子变压器不仅具备传统变压器变压、隔离等功能，还有体积小、重量轻；无需变压器油，不污染环境；功率因数可调；同时有交直流环节，可控性好等优点。本文对电力电子变压器工作原理、拓扑电路、控制方法等问题进行了研究，提出用于煤矿井下低压配电系统中电力电子变压器的实现方案；并对拓扑电路进行软件仿真，结果显示该结构的电力电子变压器能够实现网侧电压稳定，功率因数高；输出电压稳定，可控性好。

1电力电子变压器的工作原理

电力电子变压器（PET）的主要思想是实现高频变换。根据能量传输过程中是否含DC环节可分为AC/AC型和AC/DC/AC型2类；为AC/AC型，其工作原理：电网侧输入工频交流电被调制为高频信号，然后经高频变压器将高频信号耦合到二次侧，再解调为工频交流信号；为含有DC环节的AC/DC/AC型PET，其工作原理：电网侧输入工频交流电，通过整流器整流为直流，经逆变环节调制为高频信号，经高频变压器耦合到变压器二次侧，再整流为低压直流，通过逆变器输出所需交流电压。2种结构比较，AC/DC/AC型PET能提高电能质量，可控性好，是PET发展的主要方向.本文设计的AC/DC/AC型电力电子变压器。其工作过程：电网侧提供三相工频交流电，经滤波器输入到三相全控桥式整流器，整流为直流电，再由单相桥式逆变器逆变为高频方波，输入到高频变压器一次侧，通过高频变压器耦合到二次侧，进入隔离级整流器，因井下配电系统中不考虑能量回馈，故采用不可控桥式整流器，输出低压直流，经逆变器逆变成低压工频交流电，再通过LC滤波器输出给井下负载供电。其中，滤波器中电感为附加电抗器，起储存能量和平衡电压的作用，电容为稳压电容，用于稳定直流侧输出电压。同时因为存在直流环节，当电源发生电压波动时，PET能够避免网侧和负载侧相互影响，维持输出电压恒定。

2控制策略分析

2.1高压输入级控制策略

高压输入级包括滤波器和三相桥式整流器2部分，其控制目标是将输入高压交流电整流为直流电，并确保整流器交流侧在单位功率因数下工作。高压输入级整流器采用双闭环控制方法，电压外环控制和电流内环控制，并结合dq解耦控制和电压前馈控制方法，控制框图。电压外环控制确保输出电压保持稳定；电流内环控制实现交流侧在单位功率因数下运行；并结合前馈解耦控制，对有功、无功分量进行独立控制；控制过程：将直流电压测量值与设定参考值送至比较器，经PI调节器作用后，将其作为d轴电流参考值；同时，三相电流经派克变换转换为dq轴分量，分别与dq轴分量设定参考值比较，通过PI调节器后，然后与网侧电压信号、耦合信号一起进比较器求和，然后比较器输出信号输入到PWM信号发生器，产生PWM控制信号对整流器实现控制。

2.2中间DC/DC隔离级控制策略

隔离级包括高频变压器、一次侧单相逆变器和二次侧不可控整流器3部分，其控制目标是实现电气隔离、电压变换。因井下配电系统不考虑能量双向流动，故高频变压器二次侧采用二极管不可控整流方式，简化了拓扑电路；隔离级采用开环PWM控制，即采用占空比设定的PWM控制信号驱动变压器一次侧逆变器的功率开关，该控制策略有助于简化控制系统。

2.3低压输出级控制策略

低压输出级包括桥式逆变器、滤波器2部分，其控制目标是确保输出电压恒压恒频、波形正弦。输出级控制方法选为定交流相电压双闭环控制，双闭环控制系统框图。其中ΔUdc2表示高频变压器二次侧直流电压变化量，Lf、Cf分别表示输出侧滤波电感和电容。控制原理：将实测的输出相电压经电压有效值计算电路得到输出电压有效值，与设定的输出相电压参考值共同送入比较器作差，将差值输入PI调节器调节，再乘以理想正弦信号，其输出值可作为内环闭环控制中电压瞬时值的参考值，在内环控制中，把实测的相电压瞬时值和设定的参考值共同送入比较器，输出误差信号，将该信号经调节器送入比较器，和PWM波进行比较，其输出信号作用于PWM信号发生器，形成触发脉冲，对输出级逆变器进行控制，实现输出级双闭环控制。输出级逆变器采用外环控制，理论上可以控制输出电压有效值恒定，确保当系统受到扰动时能输出稳定电压。内环控制理论上可以使输出电压瞬时值保持较好的正弦波形，能提高电能质量。

3仿真结果及分析

为了验证电力电子变压器方案的正确性和有效性，利用MATLAB/Simulink仿真软件对拓扑电路进行仿真验证。仿真系统中主要参数：输入级：线电压有效值660V，频率50Hz，滤波电感1.2mH，稳压电容2400μF，开关频率10kHz；隔离级：工作频率10kHz，变压器变比4.5:1，稳压电容1500μF；输出级：功率开关频率10kHz，滤波器中滤波电感0.5mH，稳压电容400μF。输出级逆变器输出的电压波形，大约在0.03s之后方波电压趋于恒定205V；输出级逆变器输出后经滤波器输出的电压波形，在0.03~0.05s之后电压波形逐渐趋于稳定正弦波形，输出峰值电压为180V，输出电压有效值为127V。

4结语

介绍了电力电子变压器的工作原理，提出了一种适用于煤矿井下低压配电系统的电力电子变压器的设计方案，设计了拓扑电路及其各部分的控制方法，利用软件对电路进行了仿真，仿真结果表明，该电力电子变压器的拓扑电路及其控制方法可行。针对PET在煤矿低压配电系统中的应用还有成本高、防爆性能等很多具体问题需要研究,需要广大科研工作者的努力。

参考文献：

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作者:宇文超敏 魏晋宏 罗伟 单位:太原理工大学