王元

（華北科技學(xué)院信息與控制技術(shù)研究所，北京101601）

隨著國(guó)家電力對(duì)煤炭需求的日益增加，礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)的性能需求逐漸提高，為適應(yīng)目前的采礦運(yùn)輸需要，我們的大型設(shè)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(guó)大部分礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)仍采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但因?yàn)槠涔に嚱Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、采用無(wú)接觸結(jié)構(gòu)式、精密控制時(shí)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)等缺點(diǎn)，已不適應(yīng)現(xiàn)在的市場(chǎng)。

通過(guò)建立三相三電平整流器的數(shù)學(xué)模型，介紹pwm 整流器在礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)中變頻系統(tǒng)中的常見(jiàn)應(yīng)用，分析了其結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)和相關(guān)功率因數(shù)、THD，最后提出并聯(lián)超級(jí)電容組在整流器直流側(cè)進(jìn)行創(chuàng)新，增加其儲(chǔ)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(shè)備中，仍作為主流整流器來(lái)使用。但是其整流電路屬于最早出現(xiàn)的電路之一，大部分?jǐn)?shù)模轉(zhuǎn)換的直流輸入電壓，是由不控或相控整流得到的，因此應(yīng)用極為廣泛，同時(shí)也有以下缺點(diǎn)：

（1）對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波；

（2）直流側(cè)調(diào)制周期過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)遲緩；

（3）負(fù)載運(yùn)行時(shí)，需要大容量電抗器和電容來(lái)調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)體積上升，增大損耗；

（4）產(chǎn)生的諧波使網(wǎng)端耗電量增加，同時(shí)造成較多的無(wú)功電流，使整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)荷增大，發(fā)電輸電率降低；

（5）諧波同樣會(huì)對(duì)電纜造成損害，其加大了電纜周?chē)碾妶?chǎng)強(qiáng)度，使得危險(xiǎn)性增加。下午為傳統(tǒng)不空二極管整流器的數(shù)學(xué)模型分析：

二極管整流網(wǎng)側(cè)電流傅里葉級(jí)數(shù)分解為：

根據(jù)公式計(jì)算可得二極管的THD 和相關(guān)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(wǎng)的電能質(zhì)量變差，干擾了電網(wǎng)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(bǔ)償電路，增加了整個(gè)設(shè)備的體積和造價(jià)。

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

2 基于PWM 整流器的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

圖1 采用直接功率控制的PWM 整流器結(jié)構(gòu)圖

圖1 直接工控的pwm 整流系統(tǒng)采用雙PWM 變頻結(jié)構(gòu)，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(zhuǎn)矩控制、功率控制、相控等多方面對(duì)其進(jìn)行調(diào)控。網(wǎng)端輸出電流可以正弦化，功率因數(shù)值為1，電網(wǎng)端和負(fù)載端電流可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，節(jié)約耗電量，提高使用成本。對(duì)系統(tǒng)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，電網(wǎng)端電感的合理選擇，可以更好的抑制諧波含量。

接下來(lái)對(duì)整流側(cè)的三相電壓進(jìn)行傅里葉變換計(jì)算可得：

由公式（2）可知，各次諧波分量為mωc+nω0，k=0，1，2…，m。當(dāng)m 為奇數(shù)時(shí)，n=±2k，當(dāng)m 為偶數(shù)時(shí)，n=±（2k+1）。諧波中不含低次諧波，主要分布在信號(hào)載波ωC及其整數(shù)倍附近?；贒SP 控制芯片TMS320X28035，制作了一臺(tái)雙PWM變頻器試驗(yàn)樣機(jī)，從樣機(jī)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(jī)電機(jī)對(duì)高次諧波的要求。

圖2 雙PWM 變頻器樣機(jī)輸出相電壓傅里葉級(jí)數(shù)分析

圖3 PWM 整流器四象限運(yùn)行矢量關(guān)系圖

通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)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(fù)電阻狀態(tài)，因此PWM整流器可以通過(guò)檢測(cè)負(fù)載狀態(tài)工作在整流和有源逆變狀態(tài)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，通過(guò)進(jìn)一步的網(wǎng)側(cè)電流控制，使網(wǎng)側(cè)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(jí)電容組在皮帶運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用

如圖4 所示，整個(gè)超級(jí)電容系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成，前端是儲(chǔ)能變換器（DC-DC 變換控制模塊），尾端由儲(chǔ)能單位（超級(jí)電容組）組成。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)DC-DC 模塊中變換器電流i 幅值大小和流動(dòng)方便的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)超級(jí)電容組充放電過(guò)程進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)變頻系統(tǒng)回收和功率補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

圖4 超級(jí)電容在雙PWM 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)變頻系統(tǒng)處于工作的時(shí)候，pwm 整流器電網(wǎng)中的電感和直流端電容可以起到儲(chǔ)能的效果，直流側(cè)電容也對(duì)電路產(chǎn)生的諧波進(jìn)行過(guò)濾。傳統(tǒng)中的直流端通常使用大容量電解電容進(jìn)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(jí)電容的優(yōu)勢(shì)，體積小、價(jià)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(guò)串聯(lián)的形式提高其額定電阻。

4 結(jié)論

隨著電子技術(shù)的日益提升完善，電力裝置廣泛應(yīng)用在各類工程之中，但是給人類帶來(lái)便利的同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的污染卻日益嚴(yán)重，本文結(jié)合礦用皮帶運(yùn)輸機(jī)的電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，分析了pwm 整流器的諧波特性，并且通過(guò)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(wǎng)測(cè)電流正弦化、功率因數(shù)任意可調(diào)、開(kāi)關(guān)損耗低、直流電壓高、電能可雙向傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，符合節(jié)能減排綠色能源時(shí)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(duì)礦井設(shè)備中電網(wǎng)的污染，可以在三電平PWM整流器中加入超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)能，節(jié)約電能使用。由于專業(yè)能力和時(shí)間的影響，本研究在對(duì)系統(tǒng)控制策略和對(duì)電流電壓環(huán)的控制策略都需要改良。