礦用三電平PWM 整流器的應用研究

王元

（華北科技學院信息與控制技術研究所，北京101601）

隨著國家電力對煤炭需求的日益增加，礦用皮帶運輸機的性能需求逐漸提高，為適應目前的采礦運輸需要，我們的大型設備需要不斷的向大型化、大功率華、新型化方向發(fā)展。目前我國大部分礦用皮帶運輸機仍采用直流電機驅動，但因為其工藝結構復雜、采用無接觸結構式、精密控制時采用閉環(huán)控制系統(tǒng)等缺點，已不適應現(xiàn)在的市場。

通過建立三相三電平整流器的數(shù)學模型，介紹pwm 整流器在礦用皮帶運輸機中變頻系統(tǒng)中的常見應用，分析了其結構功能特點和相關功率因數(shù)、THD，最后提出并聯(lián)超級電容組在整流器直流側進行創(chuàng)新，增加其儲能濾波功能。

1 傳統(tǒng)整流器的缺陷

不控二極管及晶閘管目前在礦井設備中，仍作為主流整流器來使用。但是其整流電路屬于最早出現(xiàn)的電路之一，大部分數(shù)模轉換的直流輸入電壓，是由不控或相控整流得到的，因此應用極為廣泛，同時也有以下缺點：

（1）對電網產生大量諧波；

（2）直流側調制周期過長，導致系統(tǒng)反應遲緩；

（3）負載運行時，需要大容量電抗器和電容來調節(jié)，整個系統(tǒng)體積上升，增大損耗；

（4）產生的諧波使網端耗電量增加，同時造成較多的無功電流，使整個系統(tǒng)的負荷增大，發(fā)電輸電率降低；

（5）諧波同樣會對電纜造成損害，其加大了電纜周圍的電場強度，使得危險性增加。下午為傳統(tǒng)不空二極管整流器的數(shù)學模型分析：

二極管整流網側電流傅里葉級數(shù)分解為：

根據(jù)公式計算可得二極管的THD 和相關功率系數(shù)：表1 為各次諧波數(shù)值分析。

表1 各次諧波數(shù)值分析

由上表可得，高次諧波較多，造成電網的電能質量變差，干擾了電網中所使用的正常諧波，功率因數(shù)較低，降低了整流電路的電能利用率，增加供能損失，總諧波失真率較高，所以需要額外添加濾波電路和功率補償電路，增加了整個設備的體積和造價。

相對于傳統(tǒng)整流器所帶來的大量缺陷，pwm 整流器不但可以減少無功高次諧波的生成，而且可以應用于無源逆變電路中，不管是實現(xiàn)供能還是體積成本各方面，都可由用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整流電路中二極管或者進閘管。

2 基于PWM 整流器的變頻驅動系統(tǒng)的特點

圖1 采用直接功率控制的PWM 整流器結構圖

圖1 直接工控的pwm 整流系統(tǒng)采用雙PWM 變頻結構，其在功能和性能方面較傳統(tǒng)整流器有很大提高。在控制系統(tǒng)中可以由轉矩控制、功率控制、相控等多方面對其進行調控。網端輸出電流可以正弦化，功率因數(shù)值為1，電網端和負載端電流可實現(xiàn)雙向流動，節(jié)約耗電量，提高使用成本。對系統(tǒng)控制算法進行優(yōu)化，電網端電感的合理選擇，可以更好的抑制諧波含量。

接下來對整流側的三相電壓進行傅里葉變換計算可得：

由公式（2）可知，各次諧波分量為mωc+nω0，k=0，1，2…，m。當m 為奇數(shù)時，n=±2k，當m 為偶數(shù)時，n=±（2k+1）。諧波中不含低次諧波，主要分布在信號載波ωC及其整數(shù)倍附近。基于DSP 控制芯片TMS320X28035，制作了一臺雙PWM變頻器試驗樣機，從樣機輸出波形可以看到，其輸出諧波含量也很低，能夠滿足礦井提升機電機對高次諧波的要求。

圖2 雙PWM 變頻器樣機輸出相電壓傅里葉級數(shù)分析

圖3 PWM 整流器四象限運行矢量關系圖

通過控制網側電壓矢量V 和電流矢量I，PWM整流器即可分別工作于純電感狀態(tài)、正電阻狀態(tài)、純電容狀態(tài)和負電阻狀態(tài)，因此PWM整流器可以通過檢測負載狀態(tài)工作在整流和有源逆變狀態(tài)實現(xiàn)能量的雙向流動，通過進一步的網側電流控制，使網側電流與電壓同相位，可工作于單位功率因數(shù)狀態(tài)。

3 超級電容組在皮帶運輸機中的應用

如圖4 所示，整個超級電容系統(tǒng)由兩個部分組成，前端是儲能變換器（DC-DC 變換控制模塊），尾端由儲能單位（超級電容組）組成。整個系統(tǒng)通過對DC-DC 模塊中變換器電流i 幅值大小和流動方便的控制，實現(xiàn)對整個超級電容組充放電過程進行調控，進而實現(xiàn)整個儲能系統(tǒng)對變頻系統(tǒng)回收和功率補償?shù)淖饔谩?/p>

圖4 超級電容在雙PWM 變頻驅動系統(tǒng)中應用結構圖

當變頻系統(tǒng)處于工作的時候，pwm 整流器電網中的電感和直流端電容可以起到儲能的效果，直流側電容也對電路產生的諧波進行過濾。傳統(tǒng)中的直流端通常使用大容量電解電容進行穩(wěn)壓，但是只有大體積、較昂貴的電容，才可以滿足其穩(wěn)壓和濾波的規(guī)格。由此更加可以凸顯超級電容的優(yōu)勢，體積小、價格低，穩(wěn)壓、濾波效果好，額定電壓較低，常規(guī)情況下低于3V，也可以通過串聯(lián)的形式提高其額定電阻。

4 結論

隨著電子技術的日益提升完善，電力裝置廣泛應用在各類工程之中，但是給人類帶來便利的同時，對電網的污染卻日益嚴重，本文結合礦用皮帶運輸機的電機變頻驅動系統(tǒng)的特點，分析了pwm 整流器的諧波特性，并且通過分析傳統(tǒng)的不控二極管和晶閘管特性，提出了三相電壓型pwm 整流器具有網測電流正弦化、功率因數(shù)任意可調、開關損耗低、直流電壓高、電能可雙向傳輸?shù)葍?yōu)點，符合節(jié)能減排綠色能源時代發(fā)展的總體要求。最后為了完善pwm 整流器的不足，更加的節(jié)約能源和減少對礦井設備中電網的污染，可以在三電平PWM整流器中加入超級電容進行儲能，節(jié)約電能使用。由于專業(yè)能力和時間的影響，本研究在對系統(tǒng)控制策略和對電流電壓環(huán)的控制策略都需要改良。