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        全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機的設(shè)計研究

        2021-09-26 08:19:40安徽理工大學(xué)陳宏茂
        電子世界 2021年16期
        關(guān)鍵詞:充電機二極管電平

        安徽理工大學(xué) 陳宏茂 李 靜

        傳統(tǒng)硅器件的充電機主要回路使用三相半控整流電路,再配合工頻變壓器進行工作,采用大量的鋼鐵材料和稀有金屬,以及由于充電工藝落后對電池造成的損害,對環(huán)境將產(chǎn)生巨大的污染。本文設(shè)計研究一種全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機,功率變換電路由順次連接的三相整流電路、單相全橋逆變電路(三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))、LLC串并聯(lián)諧振電路以及二極管整流及濾波電路構(gòu)成,降低充電機開關(guān)損耗并提高效率,減少充電機的體積和重量,直接減少電池材料對環(huán)境的污染,可應(yīng)用于高壓、高頻、高溫的大功率場合。

        煤礦的運輸以及煤礦人員運輸井下材料都離不開蓄電池電機車?,F(xiàn)如今,礦用防爆電機車需要使用充電機對其進行補充電量,所使用的充電機主要回路使用三相半控整流電路,再配合工頻變壓器進行工作。人力資源浪費、智能化水平低等一系列問題也伴隨著這種充電機充電工藝過程,需要配有專門的看守人員,隨著電池析氣狀況的改變,再結(jié)合充電時間的因素,手動進行切換電流。隨著全球電力電子技術(shù)以及微控制器技術(shù)的發(fā)展,針對充電時間效率需求,高頻逆變器技術(shù)被研發(fā)使用,實現(xiàn)在開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用范圍內(nèi),充電機內(nèi)的功率器件工作頻率的高頻化。

        1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

        蓄電池充電工藝在國外一開始也阻礙重重,多個項目難點無法攻克。直到十九世紀(jì)五十年代,蓄電池充電工藝的重大難點之一被法國的普朗泰研發(fā)攻克,蓄電池可以重復(fù)使用,充電機的發(fā)展速度大大加快,進入了快速的發(fā)展階段,充電機發(fā)展為以下四個階段:

        (1)充電探索階段:蓄電池充電工藝下一個難關(guān)于二十世紀(jì)的五十年代被研發(fā)攻克,針對充電狀態(tài)電流不可控這一難點,第一臺在小電流狀態(tài)下可以調(diào)控設(shè)置的商用充電機在美國誕生,這臺商用充電機還攻克了大電流狀態(tài)無法穩(wěn)定充電的技術(shù)難關(guān)。

        (2)充電理論研究階段:在上一階段基礎(chǔ)上,最大充電電流被馬斯關(guān)注研發(fā),他根據(jù)其數(shù)值繪制出曲線,馬斯充電曲線為攻克無法快速充電這一難關(guān)指明了理論研究方向。

        (3)充電技術(shù)的實際應(yīng)用階段:美國的Mcculloch電氣公司在馬斯充電理論提出后,開始開展鉛酸蓄電池的快速充電型的充電機研究,針對充電時間效率進行研究,整個充電過程僅需半小時。

        (4)高速發(fā)展階段:隨著全球電力電子技術(shù)以及微控制器技術(shù)的發(fā)展,電力電子功率器件也在不斷開發(fā)更新,鉛酸蓄電池技術(shù)也不斷完善。

        充電機技術(shù)的研究在國內(nèi)起步較晚,通過國內(nèi)外其它行業(yè)的充電機技術(shù)發(fā)展,我國也有突出的研究技術(shù),未來充電機研發(fā)趨勢將朝著以下方向研發(fā):

        (1)充電機結(jié)構(gòu)一體化。將多臺充電機組合發(fā)展一體化與未來功率器件器的一體化統(tǒng)稱為充電機結(jié)構(gòu)一體化?,F(xiàn)如今,充電硐室需要十幾臺充電機,甚至于更多的充電機,才能滿足充電任務(wù),充電機結(jié)構(gòu)一體化可能需要一到兩臺充電機即可,還能有效的縮減充電機在硐室的占用空間。

        (2)充電機工作頻率高頻化。煤礦設(shè)備相對于地面設(shè)備,設(shè)備體積在應(yīng)用中有極大的限制以及更高的要求,電機工作頻率高頻化主要是指在開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用范圍內(nèi),充電機內(nèi)的功率器件工作頻率的高頻化。

        (3)充電工藝智能化?,F(xiàn)如今在充電過程中人力需求比較嚴(yán)重,需人員進行看守,智能化水平較低,隨著全球電力電子技術(shù)以及微控制器技術(shù)的發(fā)展,充電工藝將趨向于智能化,趨向于無人值守的充電工藝。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        本文研究設(shè)計一種全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機,其特征在于所述功率變換電路由順次連接的三相整流電路、單相全橋逆變電路(三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))、LLC串并聯(lián)諧振電路以及二極管整流及濾波電路構(gòu)成。其中三相660VAC交流電壓經(jīng)過三相整流電路得1140VDC的直流電壓,再經(jīng)單相全橋逆變電路轉(zhuǎn)換輸出504V AC交流電壓,經(jīng)LLC串并聯(lián)諧振電路變成504VAC交流電壓,再經(jīng)二極管整流及濾波電路將電流變換為0-100A連續(xù)可調(diào)的直流電流與0-504VDC的可控直流電壓,再輸出到外部,完成蓄電池的充電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        三相整流電路這一部分由整流模塊(QT1、QT2、QT3、QT4、QT5、QT6)、電壓濾波電路(C1、C2)構(gòu)成。三電平逆變電路這一部分由IGBT(QT7、QT8、QT9、QT10、QT11、QT12、QT13、QT14)、功率二極管(VD1、VD2、VD3、VD4)構(gòu)成。LLC串并聯(lián)諧振電路這一部分由諧振電容C3、諧振電感L1、勵磁電感L2、高頻變壓器T1構(gòu)成。二極管整流及濾波電路這一部分由高頻整流模塊(VD5、VD6、VD7、VD8)、濾波電感L3、濾波電容C4構(gòu)成。電氣原理圖如圖2所示。

        圖2 全橋型LLC碳化硅礦用三電平充電機電氣原理圖

        3 總結(jié)

        本文研究的充電機主電路采用三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相全橋逆變技術(shù),具有能承受更大的輸入電壓的創(chuàng)新優(yōu)勢、能夠更好地抑制或處理高頻諧波的優(yōu)勢,開關(guān)頻率達10KHZ,電源工作高頻化可在達到充電機輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)上,進一步有效的減小主回路變壓器及周邊器件的重量與體積。LLC串并聯(lián)諧振這一技術(shù)可以使整流二極管在關(guān)斷狀態(tài)實現(xiàn)零電流關(guān)斷,還可以在全負(fù)載范圍內(nèi),使功率開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)實現(xiàn)零電壓接通,這一技術(shù)不但可以有效的提高效率,還可以大幅度降低充電機開關(guān)損耗。

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