茹瑞鵬

0 引言

礦用電機車是煤礦主要的運輸工具之一，在煤礦中具有重要的作用。電機車供電方式主要有兩種：架空線供電與蓄電池供電。架空線供電適合低瓦斯?jié)舛鹊拿旱V，對于高瓦斯?jié)舛鹊拿旱V則必須采用蓄電池進行供電。我國的煤礦目前以高瓦斯煤礦為主，所以蓄電池為動力的電機車為主流。

文獻[1]研究了多輸入等級的礦用電機車充電技術(shù)，多個電壓等級均可以作為輸入電源為電機車充電。文獻[2]研究了礦用電機車的無線充電技術(shù)，為礦用電機車的充電引入了一種可以選擇的方式。文獻[3]研究了一種直流斬波充電技術(shù)，并給出了一個設(shè)計實例。文獻[4]研究了一種礦用電機車智能充電技術(shù)。但是以上方案均存在著充電效率偏低的問題，很少可以達到90%以上的充電效率，本文研究的礦用電機車充電技術(shù)可以實現(xiàn)高效率充電，為礦用電機車的充電技術(shù)的發(fā)展引入一種新的思路。

1 Buck電路分析

如圖1所示為傳統(tǒng)的Buck電路電路圖[5-6]，其中Ud為直流電源、V1為可控開關(guān)、VD1為續(xù)流二極管，L為電感，C為電容，R為負載。

當(dāng)V1處于開通狀態(tài)時，Ud向負載供電；當(dāng)V1處于斷開狀態(tài)時，電感L上的電流不能突變，所以電感L繼續(xù)向負載供電，并經(jīng)過續(xù)流二極管進行續(xù)流，直到電感上的電能釋放完畢[7]。在此過程中，存在著電感電流斷續(xù)的情況，那么負載電壓與輸入電壓之間的正比關(guān)系不成立，進而導(dǎo)致控制難度增加，不利于電池充電策略的實現(xiàn)，為了解決這個問題，本文提出了一種改進型Buck電路。

圖1 Buck電路圖

2 改進型Buck電路

圖2為改進型Buck電路，如圖所示續(xù)流二極管被可控開關(guān)替代。此電路最大的特點為無論V1的占空比為多少，均可以保證電感L1的電流連續(xù)，進而保證負載上的電壓與輸入直流電源成正比關(guān)系，比例便是開關(guān)V1的占空比，進而可以使控制策略更為簡單。

圖2 改進型Buck電路

3 改進型Buck電路換流分析

圖3是電感L1上的電流在一個周期內(nèi)的波形圖。下面分階段分析電流特性。

t0-t1：t0時刻，V1加開通脈沖，V2加關(guān)斷脈沖，Ud向電容和負載供電，電感電流逐漸增大，最終穩(wěn)定在某一固定值。電路中的電流流向如圖4所示，t1-t2：t1時刻，V1加關(guān)斷脈沖，V2加開通脈沖，V1關(guān)斷，直流電源Ud停止向負載和電容供電。電感電流不能突變，其通過V2的體二極管續(xù)流，且繼續(xù)向負載、電容供電，電流逐漸減小。因為體二極管的導(dǎo)通壓降給V2施加反壓，故V2不能開通。電路中電流流向如圖5所示。

圖3 電感電流波形圖

圖4 t0-t1，電路中電流流向圖

圖5 t1-t2，電路中電流流向

t2-t3：在t2時刻，電感L的能量釋放完畢，V2體二極管關(guān)斷，電容電壓給V2施加正向電壓，V2導(dǎo)通，V2實現(xiàn)了零電壓開通，損耗小。V2導(dǎo)通以后，電流從電容的正極流出，經(jīng)電感L和V2流向電容負極，同時電容向負載供電。電路中電流流向如圖6所示。

圖6 t2-t3，電路中電流流向

t3-t4：在t3時刻，V1加開通脈沖，V2加關(guān)斷脈沖，因為存在死區(qū)，V1會首先關(guān)斷，電感電流通過V1的體二極管續(xù)流，V1繼續(xù)保持關(guān)斷狀態(tài)。此時，電容再向電源Ud放電，當(dāng)電感電流下降到零后，V1導(dǎo)通，電源Ud向電容和負載供電，電感上的電流逐漸增大?？梢姡琕1實現(xiàn)了軟開關(guān)，其開通損耗小。電路中電流流向如圖7所示。

圖7 t3-t4，電路中電流流向

綜上，用IGBT替換續(xù)流二極管，可實現(xiàn)電感電流不斷續(xù)，且可控開關(guān)管均實現(xiàn)軟開關(guān)，效率得到提高。

4 仿真和實驗

為了驗證本文結(jié)論的正確性，在Matlab/Simu?link中搭建了仿真電路，進行了仿真，參數(shù)如表格1所示。

表1 Buck電路參數(shù)

設(shè)定V1的占空比為0.7和0.1，得到如圖8所示的仿真波形，從圖中可以看出，當(dāng)占空比為0.7時，輸出電壓為70 V；當(dāng)占空比為0.1時，輸出電壓為10 V，證明了輸出電壓與輸入電壓的的比值為占空比的結(jié)論。

圖8 不同占空比下的輸出電壓

圖9 Buck電路的輸出效率測量值

搭建了實驗驗證平臺，驗證電路具有較高的效率。使用功率儀同時測量輸入端和輸出端的功率，并從功率儀中讀出效率。如圖9所示，（a）圖為輸入端的功率、（b）圖如輸出端的效率，兩幅圖中均顯示整個系統(tǒng)的效率，為98.22%。此時，占空比為0.69，可以看出存在一定的偏差，但是在合理范圍之內(nèi)，也驗證了輸出電壓與輸入電壓的比值為占空比。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于改進型Buck電路的礦用電機車充電裝置，可以實現(xiàn)電機車高效率充電，且輸出電壓與輸入電壓的成正比，進而使得控制較為簡單，在此基礎(chǔ)之上可以實現(xiàn)電機車的恒流恒壓充電策略、間歇充電策略等多種充電策略，且可以保持高效率。

參考文獻：

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