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控制系統等缺點，已不適應現在的市場。

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

1 傳統整流器的缺陷

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的電路之一，大部分數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，導致系統反應遲緩；

（3）負載運行時，需要大容量電抗器和電容來調節，整個系統體積上升，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，使整個系統的負荷增大，發電輸電率降低；

（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。下午為傳統不空二極管整流器的數學模型分析：

二極管整流網側電流傅里葉級數分解為：

根據公式計算可得二極管的THD 和相關功率系數：表1 為各次諧波數值分析。

表1 各次諧波數值分析

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，不管是實現供能還是體積成本各方面，都可由用來代替傳統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 整流系統采用雙PWM 變頻結構，其在功能和性能方面較傳統整流器有很大提高。在控制系統中可以由轉矩控制、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，功率因數值為1，電網端和負載端電流可實現雙向流動，節約耗電量，提高使用成本。對系統控制算法進行優化，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 為奇數時，n=±2k，當m 為偶數時，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、正電阻狀態、純電容狀態和負電阻狀態，因此PWM整流器可以通過檢測負載狀態工作在整流和有源逆變狀態實現能量的雙向流動，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狀態。

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，實現對整個超級電容組充放電過程進行調控，進而實現整個儲能系統對變頻系統回收和功率補償的作用。

圖4 超級電容在雙PWM 變頻驅動系統中應用結構圖

當變頻系統處于工作的時候，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。傳統中的直流端通常使用大容量電解電容進行穩壓，但是只有大體積、較昂貴的電容，才可以滿足其穩壓和濾波的規格。由此更加可以凸顯超級電容的優勢，體積小、價格低，穩壓、濾波效果好，額定電壓較低，常規情況下低于3V，也可以通過串聯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的特點，分析了pwm 整流器的諧波特性，并且通過分析傳統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、功率因數任意可調、開關損耗低、直流電壓高、電能可雙向傳輸等優點，符合節能減排綠色能源時代發展的總體要求。最后為了完善pwm 整流器的不足，更加的節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，節約電能使用。由于專業能力和時間的影響，本研究在對系統控制策略和對電流電壓環的控制策略都需要改良。