三相三電平PWM整流器在煤礦應(yīng)用的仿真研究

【摘要】煤礦井下傳動(dòng)設(shè)備功率等級(jí)越來(lái)也大，傳統(tǒng)兩電平變流器已無(wú)法滿足其電壓和功率等級(jí)要求，隔爆型三電平變流器是未來(lái)發(fā)展的主導(dǎo)方向。本文分析了三相三電平整流器的工作原理和數(shù)學(xué)模型，建立了控制系統(tǒng)，并在Matlab/simulink中做了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明三電平整流器可滿足高壓大容量的要求，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】三電平；整流器；中點(diǎn)電壓；高電壓；大功率

Abstract：The power of transmission in coal mine has grown rapidly over the past few years，and the three-level converters have became the development trends due to their obvious advantages compare to the traditional two-level ones in high voltage and great power applications.The principle and mathematical model of the rectifier is studied in this paper，and then the control model is built in Matlab/simulink environment.Simulation results show that this rectifier can implement in great voltage and power and provides excellent performances in steady-state and dynamic load variations.

Keywords：three-level；rectifier；middle voltage；high voltage；great power

1.引言

隨著國(guó)家電力對(duì)煤炭資源的需求越來(lái)越大，對(duì)煤礦的開(kāi)采量提出了更高要求，為適應(yīng)目前電能現(xiàn)狀，提高礦井年產(chǎn)量、拉長(zhǎng)原煤運(yùn)輸戰(zhàn)線勢(shì)在必行。因此目前皮帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)、提升機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)功率和電壓等級(jí)不斷增加，3300V兆瓦級(jí)電機(jī)已在煤礦井下傳動(dòng)系統(tǒng)中大規(guī)模使用。

在煤礦井下驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器都有隔爆要求，目前以兩電平隔爆變頻器中低壓變頻器為主，但受電力電子器件電壓等級(jí)的限制，傳統(tǒng)兩電平變頻器驅(qū)動(dòng)3300V兆瓦級(jí)電機(jī)比較困難，三電平變頻器是未來(lái)發(fā)展的主導(dǎo)方向之一。三相三電平PWM整流器是背靠背三電平變頻器的重要部分，它通過(guò)IGBT串聯(lián)提高了電壓等級(jí)，并且嵌位二極管實(shí)現(xiàn)了IGBT的動(dòng)態(tài)均壓，從而使煤礦井下高壓大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)更加易于實(shí)現(xiàn)。

本文根據(jù)三相三電平整流器的數(shù)學(xué)模型，分析了該拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的矢量控制策略、中點(diǎn)平衡控制策略，在Matlab/simulink中建立了仿真模型，結(jié)果表明本文采用的控制策略實(shí)現(xiàn)了中點(diǎn)平衡控制、功率因數(shù)為1，可實(shí)現(xiàn)能量回流，整流器得到了較高的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

2.數(shù)學(xué)模型

三相三電平PWM整流器主電路如圖1所示，開(kāi)關(guān)器件采用IGBT。其中網(wǎng)側(cè)電感為L(zhǎng)S，網(wǎng)側(cè)等效電阻為RS，直流側(cè)電容為c1和c2，電容對(duì)應(yīng)電壓為ud1和ud2。ua，ub，uc為理想電壓源，isa，isb，isc為輸入電流。

三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)共有27中的開(kāi)關(guān)模式，其中有18種開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì)造成中點(diǎn)電位不等，iM不可能保持為零，理論上說(shuō)，三電平直流電容電壓只能在誤差允許情況下保持相對(duì)的平衡。在保證系統(tǒng)運(yùn)行精度的前提下，盡量減小iM的值，是保證三電平變流器中點(diǎn)電壓平衡的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)矯正兩個(gè)電容的電位差就可實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的平衡控制[2]。

根據(jù)三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型可設(shè)計(jì)出其控制框圖[1][2][3]，如圖2所示。

圖2 NPC三電平PWM整流器控制框圖

3.仿真結(jié)果

仿真時(shí)間共為0.1s，在0.05s突加負(fù)載。圖3為直流母線輸出電壓波形，母線電壓迅速穩(wěn)定在5000V。圖4為兩個(gè)母線電容的電壓波形，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電壓的平衡控制。圖5為A相電壓和電流波形，在突加負(fù)載前后，整流器都可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)接近為1，在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，可得到平滑的電流波形。圖6為三相電流波形，圖7為線電壓Uab的pwm電壓波形，Uab有5個(gè)電平，具有較低的dv/dt；

圖7 線電壓Uab的pwm電壓波形

仿真表明：三電平整流器可實(shí)現(xiàn)快速的電壓穩(wěn)定，具有較高的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，較低的dv/dt降低了電流諧波，減少了電網(wǎng)污染。

3300V兆瓦級(jí)大功率防爆電機(jī)已在煤礦井下大規(guī)模應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)該類電機(jī)的變頻器直流母線電壓應(yīng)在5000V左右，但目前傳統(tǒng)的兩電平防爆變頻器難以達(dá)到該電壓等級(jí)，因此為了盡快解決對(duì)大功率電機(jī)的隔爆控制，發(fā)展三電平隔爆變頻器是主導(dǎo)方向之一。

4.結(jié)論

本文分析了三電平PWM整流器的工作原理和該結(jié)構(gòu)的的控制方法，通過(guò)Matlab/simul-ink搭建了仿真模型，仿真結(jié)果表明，該整流器具有良好的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)為1的控制，減小了電網(wǎng)諧波，并且可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)煤礦井下3300V的電機(jī)。

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作者簡(jiǎn)介：李輝（1982—），男，河南孟州人，現(xiàn)供職于陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司。