一种新型井下架线电机车供电电源设计

一种新型井下架线电机车供电电源设计
刘瑨琪，徐晓贤，张岚，陈言峰，王聪
(中国矿业大学机电与信息工程学院，北京1〇0083)
摘要：提出了一种新型的基于单周期控制的单位功率因数整流器为井下电机车供电。

该电源由维也 纳整流级和高频隔离d c-d c变换级两级功率变换器级联构成，但控制电路采用一级协调控制。

电路控制简
单，不需要乘法器和电单位功率因数，器件一半的电压应力。

详
细分析了新型整流电路的基本工作原理和控制，和新型电路应控
制的了。

关键词：煤矿"供电系统"单周期控制"数字控制；单位功率因数"三相维也纳电路
中图分类号：TD64+1 文献标志码：A 文章编号：1673-6540 ( 2018 ) 02-0106-06
Desij+n of Anovel Underground Electric Locomotive Power Supply System
LIU Jijiqi,XU Xiaoxian，ZHANG Lan，CHEN Yanfeng,WANG Cong
'School of Electrical and Inform ation Engineering，China University of Mining and
Technology(Beijing)，Beijing 100083，China]
Abstract: A new type of unit power factor rectification based on single cycle control One-Cycle Control ( OCC was proposed. The circuit was powered by a downhole electric locomotive. The power supply was composed of a
rectifier stage based on cascaded vienna rectifier and a transmission stage based on high-frequency i converter. However, a n overall control scheme was adopted to regulate the two stages. This simple control scheme
could realize the unity power factor without involving any multipliers or input voltage sensors. Besides，t pressure of the switches could be reduced by half due to the topology structure. The basic operating principles a double-loop control s trategy were analyzed in detail. The correctness of the proposed circuit and its corresponding
control strategy was verified by simulation and experiment.
Key words：coal mine；power supply system; one cycle control; digital control; unit power facto three-phase Viennese circuit
0引言
电力电子的应用，电力的，供电电
出，因，以电力电子变流器为核的电控制的关
'1 8]。

电力应用的制和无功补，电力电子自身的功率因数(Power Factor Correction，PFC)技术的研究已经成为目前电气工的研究一。

传统的井下电机车主要由550 V直流电源供电。

该供电电源采用二极
整流。

在该电级的要求下，380 V 市电整流显然无法：到550 V电级;而660 V:电源整流，虽然550 V直流电压，但较大的触发控制角导致位移功率因数下降，整流还会产生较大的电流从而污染电网[9-1]。

因
#基金项目：国家自然科学基金项目（51577187)
作者简介：刘瑨琪（1993—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。

王聪（1955—），男，教授，博士生导师，研究方向为电力电子与电力传动—106 —
此，目一^般的解决方案是在整流级如端多加一k 组定制的工频变压器从而产生幅值适当的交流电 ，使 触发角工作 于零度。

这种解决方案虽然 提高位移功率因数，但是 ：污染仍然存在，另外增加的工频变压器体积笨重、庞大。

基于以上的弊端和不足，本文提出了一种新 型的为井下电机车供电的基于单周期控制的单位 功率因数整流电路。

由维也纳整流级和高频隔离DC-DC变换级两级功率变换器级联构成，但 控制电路采用一级整体控制，电路控制简单、不需 要乘法器和 电单位功率因数整流，另外该整流电路 380 V供电系，不需要增加额外的定制工频变压器。

本文
新型整流电路的基 工作 和控制了详细的分析，电路 了计算与选型，后 和新型电路 应控制 的了。

1新型丼下架线电机车供电电源主 电路
文提出的新型架线电机车直流整流电源电 路如图1所示。

图1中，电路的AC/DC整流部分，使用了三 相三线制的维也纳（VIE丽A)电路结构，因只需要3个 器件 单位功率因数 ，故
有效地 损耗、提高 的利用率;且维也纳电路 承受的耐压仅是直流电压的一*半，因同输出电压的条件下，能够 一半的电压应力。

另外，该电路具有三电平结构，故 电流纹波要求一定的情况下，采用较小的滤波电感。

后级增加高频隔离DC/DC变换级部分，主要 有两个原因：首先，后级的电气隔离，可以增加 井下供电电源 的安全性;更要的是，VIENNA电路必须工作 模式才能可靠运行，如果考虑到电网电压会有± 10%〜±20%的波动，显然当380 V向上波动时，V I ENNA电路的 出电压必须高于550 V才 定工作，就
了安 的规定；而后级增加高频隔离DC/DC变换级后 电源电压如 动，使该新型整流电源电路输出端维出550 V流电 。

2基于单周期的控制策略
2.1单周期控制的理论推导
单周期控制（One Cycle Control，OCC)的功率 因数 变换器因具有控制 简单无需产生输入电流基准，不需要使用乘法器、和采
入电源电压，所具有较好的动态和
优点，得到了国内外学者的广泛关注'12*4]。

下文对采用o c c的新型直流架线电源电路 进行详细分析与讨论。

三相三线制的维也纳拓扑如图2(a)所示。

图2(a)中5、5、5为整流器三 电源电压；%a、％i、％c为三 电流;！a、！i和！c分别为三滤波电感且大小 ，即！a= = !c二！; 1i、12为流侧滤波电容，且电容大小 为1; #为直流侧输出电压;8为直流输出侧负载;
9、9n、9为A、B、C三相对应的3个功率开关
，应的占空比为：a、：i、：c。

™器件的
损耗、导 和分 数的 ，效模 型如图2(b)所示。

图2(b);an、；bn和；cn
为整
当变换器的工作频率 于三相电源的基波频率时，变换器 模式下，即 个相邻的开周期内，三工频 电 效为直流
电压。

考虑到交流侧的滤波电感在变换器的一个周 期内满足伏秒平 ，基于以上条件可得
■5a <%a J ! h > U A O
5b <%b J !"
U
B O
(1)
■5c <%c J ! ■*'U C O
式中：；ao 、；bo 、；c o ---整流三入
电源中点的周期平均电。

由于变换器的工作频率很高，且滤波电感本 身感值很小，此时 忽略电感得
A O
^
e A
{ ;b o $ 5b (2)
■ ;c o $ 5c
三 平 ：
5a + 5b + 5c < 0
(3)
由图2(b )可知：
■U A 〇 —
ua n +U N O
U B O _
U B N
+U N O
( 4)
U C O
_
U C N
+U N O
式中：％。

—三 电源中点到输出电容的
的周期平均电压。

由式(2)〜式(4)，可得
(5)
(6)
整流桥臂中点到输出电容中点的周期平均电 压；ay 、；by J ;cy 可以表V 为
U A N ：^ I 0#1 - :A )Sign (%A )U B N "#0
< ~1 ( 1 - ： b $sign #%)(7)
U C N ：#o < ~2 (1 - ： c $sign #%)
式中：sign ()—— 数。

以A 相为例，则有
#， %a % 1Fgn (%A )二{
-1，％a < 1
联立式（6)和式(7)，得
(1 - :
a $ sign #iL A $
(1 - :b $ sign #iL B $ <
(1 -:c )sign (%c )_
^ A
5b
_5c _
单位功率因数的 是使得变换器交流侧的
电压与电流 同相位，即 从交流侧将变换器看成是一个等效电阻8，则有
5a :
< 8%5b :< 8e %B
(10)
5c :< 8:l c
由于式（9)的数 为奇异矩阵，故方程没有唯一*解，
的一*组解为
#b ( 1 - :B )sign (%B ) <8%B { #b (1 -:A )Fgn (%A ) <8F l A
(11)
#b ( 1 - :c )sign (%c ) <8F l c 式中：8s —电流传感器的采样电阻；
电压控制器的
出量，
]
#8/(28：)。

根据式(11)，
occ 的核心控制方程为[15]
f (1 -:A )#m < |8/la I {(1 -:b )#b < |8/L b I (12)(1 -:c )#m < |8/lc I
2. 2 OCC 的数字实现
基于式（12)，可以得到OCC 的基本原理图如 图3所示。

OCC 系统由电压电流 构成；电
外环采用PI 控制；电流
采用OCC 。

数字控制器首先将电 #1和#2之和与
考电 U 较，差值U 调节器后，得生成三角载波的参考值#m ; 生成电路输出的幅值为#m 的三角载波，与 值电路的电流采值 较后 数字电路中的PWM 发生器产
—
108 —
生维也纳整流器'个功率开关管的控制脉冲。

2. 3整流级-高频隔离DC/DC协调控制策略
为了提高控制效率 高压侧电容，本文提出了一种基于整流级-高频隔离DC/D C协调 控制策略，该 定占空 控制高频隔离DC/D C电路，此时高频隔离DC/D C变换器可 效为一个与占空比和变压器变比有关的具有比 数A的，高频隔离DC/DC变换器的
电与 电为
(13)
因此，通过控制高频隔离DC/DC输出侧电压
控制维也纳电路直流侧电压。

这种控制方 式不仅简化了控制结构，还 维也纳变换器直流输出侧电容。

图4所示为基于该控制 方式的 控制框图。

图4中，#4:为高频隔离DC/DC变换器输出 侧给定电压，#。

为高频隔离DC/D C变换器输出 电压，二者 后 P I控制器生成#m,由输出电压产生#m生成载波，其中8为电流取样电 阻，％是A、B、C三相电流中的 一项，即X可为A、B或者C。

通过该控制 定整流电源直流输出电 使电源 电流 电网电压，单位功率因数 的目的。

3参数计算与选型
三相供电电源线电压为380 V，则
入线电 值为537 V，再考虑 供电系统 中20%的电 动，维也纳整流器 侧电值为
380 x^2 x(1 + 20% )$ 645 V(14)为了保证维也纳整流器稳定运行于 模式，维 也 纳整 流器 出侧 流 电定 为700 V。

此时图1电路中H桥变换器 承受的电压应力就是直流侧输出电压700 V，而维 也纳电路 器件所承受的电压应力为直流侧电压的一半，即350 V。

再考虑到安全 ，将开的耐 值乘以1.5，时维也纳整流器
器件所承受的最高电压为525 V，而高频隔 离DC/DC变换器H器件所承受的最高电为 1 050 V。

由上 ，选耐力为1 200 V的 管 足电路正常工作的要求。

其中I'B T可以 选用IXYS的MII100-12A3,出整流二极管采用 IXYS的M0280RA200。

交目前电力电子器件的发 平，该电路完全可以应用于煤矿井下380 V/550 V电压变换。

4试验与仿真
为了 该电路的 有效 ，考 工
电路了。

要数如表1所示。

表1仿真主要参数
数数值
三相输人线电压/V380
整流级开关频率/kHz10
高频DC-DC开关频率/kHz20
整流级输出侧电容/!F 3 000
负载侧电容/!F22 000
负载电阻/"3
输出电压/V550
三相电感/mH3
变压器变比2D
仿真结果如图5〜图7所示。

从图5〜图7中，后，直流侧电 定在550 V，端电流为三 120E。

由图7 A相电流与A相电 位相同，可
端为单位功率因数。

为了 控制的稳定性，在0.2 s处使 电阻由6 f t减半至3 "，制 动 的稳定性，电流依然
—
109 —
Fundamental (50 Hz )=24.72, THD =1.91%
2
图7 A 相电压与电流仿真波形
4
0.05 0.10 0.15 0.20
0.25 0.30 0.35
tJs
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000
//Hz
图8
输入电流傅氏分解分解图
为了进一 文所讨论新型整流电源的，同时基于安全角度考虑， 了 300 W
—110 —
0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30
t/s
图6
输入端三相电流波形
单位功率因数 ，输出电 够快速定值，控制效果。

对电流 的THD 分
析如图8所示，在0P 8 s 处达到1.9%, 了该整流电源两功率变换级整体采用OCC 控制 -
的
和有效性。

图5
输出电压仿波形
己被触发
—6.01 s/div ： —100 V /div :
o >
v A V A
IV
：
%
u
图9
三相电流与输出电压波形
的小功率 机， 数如表2所示。

如图9所示，三电流是平衡的三
，
出电
定。

图10为A 相电压与倍数放
后的A 相电流，
电与电流基
：
， 了单位功率因数。

图11为出 t
功率由300 W 150 W 时变换器动：验。

变
，整流器输出电 够很
定;图12为
电 值由46 V 突变
到54 V ，可以观察到整流器输出电压基本不随输入 电压的波动
动。

由
所提出的控制策下，变换器具有良好的动 。

结果与仿结果吻合，进一
了该拓扑的。

表2
试验主要参数
参数
参数值三
电
x
50整流级开关频率/kHz 10高频DC-DC 开关频率/kHz 20整流级输出侧电容/!F
705负载侧电容/!F 2 200负载电阻/"50输出电压/V 120三相电感/mH 1.34变器变
2D
O O O O O O O O O O C 098765432
1
图11负载突变输出电压与电流波形图
图12输入电源电压与输出电压波形图
5结语
目前井下电机车直流供电电源需要庞大、笨的定制工频变压器，以
整流对供电电网造成的无功和污染，文提出了一种新型的为井下电机车供电的基于OCC的单位功率因数整流电路。

整个电源系统由维也纳整流级和高频隔离DC/DC变换级
两级功率变换器级联构成，控制电路采用一级单周期整体控制。

该整流电路可J
380 V供电，不需要增加额外的定制工频变压器。

本文新型整流电路的基本工作和双控制了详细的分析，电路‘了计算与选型，最后应用MATLAET和样机试新型井下电机车直流供电电源电路了。

和结果了此新型电路拓扑及
应控制策略的、有效性和。

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收稿日期：2017 -06 -13
—111
—。