SCOTT變壓器在船用直流UPS電源中的應用

聞琦 龔亞樵

（1. 海軍92730部隊，海南572016；2. 海軍裝備部，北京100841）

0 引言

直流UPS電源由于其體積小、噪聲低、性能穩定、易于維修等優點，已在許多領域獲得廣泛應用，在艦船裝備中也占有越來越重要的地位。直流UPS裝置為艦船的動力、前后電站、通訊等系統提供直流連續電源，其性能好壞直接關系到這些系統、設備能否正常工作。

傳統的船用直流 UPS系統采用相控整流技術，其設備存在體積大、輸出噪聲電壓峰-峰值大、轉換效率低、動態響應慢、交流輸入電流畸變率高等缺點。隨著船用電源系統的電磁兼容性要求越來越嚴格，對直流UPS電源的輸入電流波形畸變率也要求越來越嚴格。新一代高性能整流器具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數高等特點，即具有功率因數校正功能。近年來功率因數校正電路得到了很大的發展，成為電力電子學研究的重要方向之一。單相功率因數校正技術有商品化的控制芯片可利用。對于三相功率因數校正，由于開關管數目的增加，控制復雜，當前仍在不斷研究之中[1-3]。一般的民用產品多是采用三個單相功率因數校正電路來實現三相功率因數校正，艦船上采用三相三線制供電系統，而單相功率因數校正的控制芯片都是適用在單相220 V內的，輸入電壓為380 V的單相功率因數校正電路以及 DC/DC電路的設計和元器件的選型都有很大的困難。本文通過采用 Scott變壓器將三相380 V輸入轉變為兩相220 V作為單相功率因數校正電路的輸入，就可以利用成熟的單相功率因數校正技術，而且由于 Scott變壓器的隔離作用也提高了直流電源的可靠性。

1 設計方案

本系統的原理框圖如圖 1所示。通過 Scott變壓器把三相三線制的380 V交流輸入變換成兩路220 V的單相交流電，APFC模塊為單相功率因數校正模塊，輸出電壓為直流400 V；DC-DC實現直流降壓，兩路輸出并聯后給負載供電，控制環節需要考慮均流問題。

圖1 電源系統的結構框圖

1.1 Scott變換的原理

圖2 Scott變壓器的接線圖和相量圖

Scott變壓器接線圖[4]如圖2（a），設三相輸入電壓的相電壓分別為VA、VB、VC，兩個次級繞組電壓分別為 V1和 V2，且則有向量圖如圖2（b）所示：

1.2 APFC環節

功率因數校正環節采用高性能的集成控制芯片IR1150，是一種采用單周期控制專利技術的CCM-PFC控制器，它無需傳統PFC電路所需要的模擬乘法器、輸入電壓采樣及固定三角波振蕩器，在提供同樣高系統性能的前提下，可使外部元件數量、PCB面積和設計時間幾乎縮減50%[5]。

APFC的目的是使輸入電流 ig的低頻波形（50 Hz）跟隨全波整流后的輸入電壓波形 ug，同時又要保持輸出電壓恒定為VO。若控制電路的控制策略滿足了輸入電流與輸入電壓成比例，整個變換器可以等效為一個電阻Re，則有

式中：Rs為變換器等效電阻。

對于Boost變換器則有

式中：RS為輸入電流檢測電阻； D為開關管驅動波形占空比。

定義 VORs/Rg= Vm為控制電壓，則有

式中：T為開關周期。

根據式（6），建立單周期控制的原理框圖如圖（3）所示。

通過APFC環節，得到一個400 V直流電壓作為 DC-DC環節的輸入，并保證不控整流橋的輸入電流為正弦波。

1.3 DC-DC環節

DC-DC環節采用雙管正激式PWM轉換器，如圖4所示，其變壓器初級繞組與兩個開關S1、S2串聯，S1、S2在PWM脈沖作用下同時導通或關斷，在每個開關和初級繞組之間，各并聯一個續流二極管D1、D2，使得開關S1、S2關斷時，變壓器的儲能有一個釋放通路，經過D1、D2回饋到直流輸入電源。因此，雙管正激式轉換器不必另加磁復位措施。此外，二極管D1、D2還起鉗位作用，將S1、S2承受的電壓鉗位到輸入電壓Ui。雙管正激式轉換器，可以應用到較高電壓輸入，較大功率輸出的場合。每個開關管承受的最大電壓為Ui，和單管正激式轉換器相比，開關管承受的電壓應力降低了一半[6]。

圖3 單周期控制的APFC原理框圖

圖4 雙管正激式轉換器

此環節輸出電壓的控制采用 UC3844，UC3844是電流型PWM模式集成控制芯片，廣泛用于中小功率的DC-DC開關電源，UC3844的控制原理如圖5所示。

圖5 UC3844控制原理框圖

由外環電壓調節器輸出的電壓誤差放大信號Ue作為內環的電流參考值。i為主電路開關管的電流，電流檢測信號與電流給定值Ue之間的誤差，經過電流調節器放大后產生出控制信號Uc、Uc再經過 PWM 調制器產生出占空比 Du可變的開關脈沖。電流型控制，除了可以改善PWM轉換器的動態特性外，還可以實現快速過電流保護，并具有自動限流的能力，并且容易實現多個DC/DC、PWM轉換器的并聯均流等。

2 試驗結果分析

根據圖1所示原理框圖構建了實驗樣機，輸入電壓為三相三線制線電壓380 V，樣機額定功率為1.5 kW，額定輸出電壓為27 V，輸入電壓、電流波形如圖7（a）所示，輸出電壓波形如圖7（b）所示，試驗結果表明：

（1）輸入電流波形基本接近理想正弦波，功率因數為0.998，THD值為3%；

（2）輸出直流電壓波形穩定，紋波電壓＜2%。

圖7 輸入電壓電流波形和輸出電壓波形

3 結論

目前，在三相功率因數校正控制技術尚未取得成熟應用的情況下，針對船用三相供電系統無中線的情況，通過Scott變壓器變成兩路220 V，即可利用現有的單相APFC控制芯片控制每個單相，然后經過DC/DC降壓使輸出電壓穩定在27 V，兩相輸出直接并聯，并通過均流芯片均流。實測結果表明，以這種方法實現三相功率因數校正是一種可行、可靠且易推廣的方法。

[1]易映萍, 徐勇, 姚為正. 用于UPS三相大功率PWM整流電源的設計[J]. 電力電子技術, 2004, 38(2)：40-41.

[2]王林兵, 何湘寧. 三相不間斷電源的新進展[J]. 電源技術應用, 2005, 8(11)： 59-64.

[3]定明芳, 杜貴平. 數字化三相功率因數校正(PFC)技術現狀及發展趨勢[J]. 電源技術應用, 2007, 10(5)：56-61.

[4]曾國宏, 郝榮泰. 基于有源濾波器和斯科特變壓器的同相牽引供電系統[J]. 北方交通大學學報, 2003,27(4)： 84-90.

[5]朱鋒, 龔春英. 單周期控制 Boost DC/DC變換器分析與設計[J]. 電源技術應用, 2007, 10(2)：5-9.

[6]石曉麗, 張代潤, 黃念慈等. 基于UC3844的多路輸出雙管正激電源設計[J]. 電源世界, 2008, 4： 60-62.

[7]張軍明, 謝小高, 吳新科等. DC/DC模塊有源均流技術研究[J]. 中國電機工程學報[J]. 2005, 25(19)：31-36.