電子信息與自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)翻譯單位功率因數(shù)Buck式脈寬調(diào)制整流器在中大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用

1、重 慶 理 工 大 學(xué)文 獻(xiàn) 翻 譯二級(jí)學(xué)院 電子信息與自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 單位功率因數(shù)buck式脈寬調(diào)制整流器在中/大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用摘要：本文介紹了單級(jí)的單位功率因數(shù)buck式脈寬調(diào)制(pwm)整流器在中-大功率恒直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用。該方法的優(yōu)點(diǎn)是在交流供電電流中諧波失真低(即符合ieee 519標(biāo)準(zhǔn)和iec 555),單位功率因數(shù)接近在一個(gè)運(yùn)行軸轉(zhuǎn)速大范圍內(nèi),電樞電流和電壓波形接近標(biāo)準(zhǔn)。大量整流器的這些輸出電壓、電流特性可完全消除任何電流變換甚至對(duì)古老的電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中的失敗風(fēng)險(xiǎn),但進(jìn)一步會(huì)產(chǎn)生電機(jī)問題，例如加速電機(jī)絕緣老化,以及由于流通的軸承電流導(dǎo)致的機(jī)械故障。本

2、文將buck式pwm整流器的這種設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和操作特征、特性用于單位功率因數(shù)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面進(jìn)行了討論。該方法已經(jīng)測(cè)試了25-65kw 100-150a 10-20khz的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),并被用于鋼鐵工廠的各種工藝流程中。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電能質(zhì)量，脈寬調(diào)制，整流器一、引言最近幾年中，研究人員對(duì)原有的潔凈新電力轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出建議和發(fā)展指示了人們對(duì)電能質(zhì)量越來越重視。這些轉(zhuǎn)換器運(yùn)轉(zhuǎn)接近單位功率因數(shù)(功率因數(shù)), 向供應(yīng)注入很低的諧波含量，從而工作在相對(duì)較高的轉(zhuǎn)換效率狀態(tài)。幾種有或沒有隔離的單位功率因數(shù)整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如buck,boost和buck位oost衍生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)被確定。他們的工作情況

3、被發(fā)表在文獻(xiàn)1-12。其中,單位功率因數(shù)buck式脈寬調(diào)制整流器只是其中最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一，詳細(xì)研究了近十年來的文獻(xiàn)2、4-11。除了文獻(xiàn)11研究了整流器與直流電機(jī)的組合，文獻(xiàn)2、4 -6、8-10只做了buck式單位功率因數(shù)pwm整流器應(yīng)用于負(fù)極負(fù)載的研究。不幸的是,記錄這種整流器在實(shí)際應(yīng)用中的使用的刊物相當(dāng)有限。許多高頻率pwm技術(shù),如修改正弦脈寬調(diào)制2,空間矢量調(diào)制4,三角調(diào)制10 技術(shù)已經(jīng)被提出，并實(shí)施于單級(jí)的三相buck式的pwm整流器中。文獻(xiàn)2中給出了buck式pwm整流器修改正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的工作原理和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)5中，發(fā)布了一種以正弦pwm技術(shù)為基礎(chǔ)的修改算法，其在穩(wěn)態(tài)時(shí)用

4、于一個(gè)獨(dú)立的控制回路以補(bǔ)償輸入電流位移因素和輸出電壓調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)4中介紹了使用空間矢量調(diào)制技術(shù)發(fā)展和實(shí)施buck式pwm整流器的pwm技術(shù)。文獻(xiàn)6和8對(duì)單獨(dú)的buck式pwm整流器進(jìn)行了研究，在文獻(xiàn)6中,對(duì)這些類型的整流器實(shí)現(xiàn)了零電壓轉(zhuǎn)換。在高功率密度中，buck式pwm整流器為交流直接轉(zhuǎn)換為直流提供了一個(gè)良好的解決方案，以滿足電力部門實(shí)行的嚴(yán)格的功率因數(shù)損耗限制和輸入線電流諧波失真限制，這些限制取決于各種諧波，如ieee 519標(biāo)準(zhǔn)和iec 555等。一個(gè)令人關(guān)注的應(yīng)用可能是這種轉(zhuǎn)換器可以升級(jí)工作，按照當(dāng)前的電能質(zhì)量規(guī)則，在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)仍工作在工業(yè)中時(shí)，它可以被控制。這轉(zhuǎn)換器還能提供優(yōu)越的輸出

5、特性,特別是對(duì)舊直流電機(jī)設(shè)計(jì),可化合為一個(gè)簡單的、便宜的高頻輸出過濾器。本文論述了三相buck式pwm整流器在中/大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。對(duì)相應(yīng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的重要特征、設(shè)計(jì)要求和buck式pwm整流器在恒直流電機(jī)應(yīng)用中的運(yùn)行特點(diǎn)作了詳細(xì)討論。由此產(chǎn)生的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)在這個(gè)領(lǐng)域取得了成功的業(yè)績。在土耳其 hatay的iskenderun鋼鐵廠,這個(gè)升級(jí)工作已經(jīng)應(yīng)用于各種流程。它使得下線最小化,減少了定期檢查、維修工作,并將轉(zhuǎn)換效率增加到了平均2000。二、問題定義 在本文中，三相buck式單位功率pwm整流器已經(jīng)應(yīng)用于中功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速中，由此產(chǎn)生的新一代一象限(1-q)和可逆

6、性二象限(2-q)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)已被用于iskenderun鋼鐵廠現(xiàn)代化工作范圍內(nèi)的各種進(jìn)程中,例如燒結(jié)工藝及原料裝載過程(見附表)。在1998年實(shí)現(xiàn)這些現(xiàn)代化工是不可避免的，原因如下: 電力當(dāng)局實(shí)行的新處罰規(guī)定的功率因數(shù)限制(每月高于0.95低于0.98), 目前國家要求遵守的諧波規(guī)則幾乎與ieee 519標(biāo)準(zhǔn)是一樣的。 在鋼鐵制造行業(yè)，為了能夠競爭市場(chǎng)需要更有效的使用電力。乍一看,變頻交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用鼠籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)似乎是解決這個(gè)問題的一種可行性辦法。然而,同等可行性研究表明,與使用變頻式交流傳動(dòng)技術(shù)相比，保留目前的他勵(lì)直流電機(jī),并優(yōu)化他們的轉(zhuǎn)換器和控制系統(tǒng)是最經(jīng)濟(jì)的解決方案，原因如下：

7、當(dāng)前直流電機(jī)都保持在良好的狀態(tài),許多零部件都有可利用的存貨,并且還有有經(jīng)驗(yàn)人員進(jìn)行維護(hù)和修理。 對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行重要修正和安裝都需要更換當(dāng)前的鼠籠型直流感應(yīng)電機(jī),盡管12、8和6極感應(yīng)電機(jī)比較昂貴，但為了匹配速度仍需使用。 在涉及驅(qū)動(dòng)恒定負(fù)載轉(zhuǎn)矩及嚴(yán)格要求過載承受能力在一個(gè)設(shè)定的大速度范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的直流驅(qū)動(dòng)仍然發(fā)揮著主導(dǎo)地位。在轉(zhuǎn)盤常常被卡住的燒結(jié)帶這是非常重要的。 使用頻率控制的可變驅(qū)動(dòng)器將進(jìn)一步需要特殊轉(zhuǎn)換類型的交流電機(jī),或?yàn)榱巳コ姍C(jī)上高絕緣應(yīng)力需要昂貴的輸出過濾系統(tǒng)，從長遠(yuǎn)來看這種高絕緣應(yīng)力能加速電機(jī)衰老和絕緣失效。為了達(dá)到項(xiàng)目的目標(biāo),目前的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)升級(jí)主要是用單

8、位功率因數(shù)buck式pwm整流器取代磁場(chǎng)放大器、ward leonard系統(tǒng),其次是老版本的六脈沖線換向橋轉(zhuǎn)換器(圖1)。該選擇背后的思考是用單位功率因數(shù)buck式pwm整流器替換現(xiàn)代版的半導(dǎo)體閘流管線換向交直流轉(zhuǎn)換器。因?yàn)榇蠖鄶?shù)運(yùn)轉(zhuǎn)期間,這些電機(jī)運(yùn)行速度低于額定值的一半，因此，在電樞電壓小于250v（直流）,0.4kv的兩線間可用50hz交流供電。這意味著六脈沖半導(dǎo)體閘流管交直流轉(zhuǎn)換器,如果選擇,將運(yùn)行在一個(gè)很高的觸發(fā)角度,因此將消耗大量的來自供應(yīng)的無功功率,導(dǎo)致輸入功率因數(shù)低絕大部分時(shí)間小于0.5。圖1 單位功率因數(shù)buck式pwm整流器在他勵(lì)直流電機(jī)應(yīng)用的電路原理圖此外,它將大量的低頻超

9、高諧波如五次、七次、十一次電流諧波整合進(jìn)入供應(yīng)。部分直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)在鋼鐵廠運(yùn)行操作時(shí)，其無功功率功耗變化通常是快速的,這使得使用昂貴的無功功率補(bǔ)償和過濾成為必要的解決方案,如有功功率濾波器或動(dòng)態(tài)無功功率發(fā)電機(jī)以負(fù)極分流過濾器的形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。然而,buck式pwm整流器的固有選擇使其運(yùn)行在寬調(diào)速范圍內(nèi)時(shí)功率因數(shù)接近單位值, 供應(yīng)的頻率且不產(chǎn)生任何低次諧波諸如五、七、十一、十三次。由于所選擇的調(diào)制技術(shù)是正弦脈寬調(diào)制,該整流器產(chǎn)生的諧波作為轉(zhuǎn)換頻率的旁帶及擴(kuò)充。和當(dāng)前的半導(dǎo)體技術(shù)一起, 硬開關(guān)的開關(guān)頻率在1020khz這個(gè)中等功率范圍內(nèi)可達(dá)到100kw。這使得使用高頻輸入過濾成為必要，它與六脈沖線換向

10、交直流轉(zhuǎn)換器相比，其尺寸相對(duì)較小,且有一個(gè)固定的配置,因此更可靠,而且更便宜。三、系統(tǒng)描述單位功率因數(shù)buck式pwm整流器為他勵(lì)直流電機(jī)的電樞電路提供電力的電路原理圖如圖1。該框圖表示了控制系統(tǒng)，也顯示出了速度反饋環(huán)。每個(gè)電力半導(dǎo)體開關(guān)由一個(gè)串聯(lián)有快速恢復(fù)二極管的igbt組成，導(dǎo)致反向電壓阻斷容量和單向電流流過。高頻阻尼lc濾波器連接到整流器的輸入側(cè)，過濾掉開關(guān)頻率線電流中的諧波分量。為了避免由于陡峭的電壓波峰加速電機(jī)絕緣老化以及由于循環(huán)軸承電流引起的機(jī)械故障,開關(guān)頻率諧波被阻尼輸出過濾器所過濾出去。在過去的十年里僅對(duì)于變頻感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)這個(gè)問題都一直被報(bào)道 1517 。在本文中,修改后的正弦

11、脈寬調(diào)制技術(shù)2被選擇用來構(gòu)成切換信號(hào)。切換信號(hào)是由16位單片機(jī)（日立h8s2655) 所產(chǎn)生的一個(gè)固定的頻率。閉環(huán)直流電機(jī)的速度控制是由在同一單片機(jī)上的比例積分(pi)控制策略數(shù)字實(shí)施所取得的，該單片機(jī)也負(fù)責(zé)該系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)作。兩額外的單片機(jī)(nec 78p058y)是用來作為保護(hù)、展示和通訊用途的。圖22-q可逆直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行特性。在iskenderun鋼鐵廠，由于抽風(fēng)機(jī)風(fēng)扇是恒轉(zhuǎn)速機(jī)械，在中期燒結(jié)過程受燒結(jié)線速度的變化控制。因此,在這些驅(qū)動(dòng)器以及直線冷卻器中,1-q直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是必要的,導(dǎo)致速度控制只作用在速度轉(zhuǎn)矩平面的第一象限,單向不斷領(lǐng)域激發(fā)。然而, 普通驅(qū)動(dòng)器的吊桿轉(zhuǎn)向功能

12、需要雙向的軸速度。因此,對(duì)于這些如2-q可逆直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)要采用單向單位功率因數(shù)buck式pwm整流器的電樞側(cè)(圖2),及四象限(4-q)直流轉(zhuǎn)換器的勵(lì)磁側(cè)(圖3)。圖3中的4-q的直流轉(zhuǎn)換器允許勵(lì)磁電流迅速倒轉(zhuǎn),并保持不變的預(yù)定值以抵抗電源電壓波動(dòng)。圖34-q場(chǎng)勵(lì)磁器的工作模型四、buck式pwm整流器在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的工作原理a與pwm技術(shù)的比較pwm技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于變頻交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的電壓型和電流型逆變電路中(分別為vsis和csis)。單位功率因數(shù)buck式整流器的控制也是以這種技術(shù)在供應(yīng)電流中低失真為基礎(chǔ)的2、411。在本文中,pwm技術(shù)比較針對(duì)于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的需要。這些

13、技術(shù)簡單可靠,具有很好的瞬態(tài)響應(yīng)、大多數(shù)運(yùn)行期間調(diào)制指數(shù)低(0-0.5)、輸入功率質(zhì)量高，優(yōu)化了開關(guān)損耗使半導(dǎo)體冷卻系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并優(yōu)化了輸入和輸出過濾器的尺寸，使供應(yīng)中含有低次諧波的輸入濾波器無交互作用。正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(spwm)自早期的pwm-vsi技術(shù)開發(fā)以來發(fā)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用。雖然調(diào)制指數(shù)的控制范圍相對(duì)狹小3、20，但spwm是一個(gè)簡單的技術(shù)且具有良好的瞬態(tài)響應(yīng)19。與傳統(tǒng)spwm相比，采用一種改進(jìn)了的spwm技術(shù)能夠獲得較寬的調(diào)制指數(shù)控制范圍。該技術(shù)最初是被發(fā)表在2中,而且在3中也能找到?？臻g矢量pwm(svpwm)具有較寬的調(diào)制指數(shù)控制范圍、實(shí)現(xiàn)簡單、良好的瞬態(tài)響應(yīng),并以較高的開關(guān)

14、損耗和聲覺干擾為代價(jià)獲得了超過調(diào)制指標(biāo)范圍的最佳諧波失真因素19。為了獲得過調(diào)制，諧波注入pwm(hipwm)可以應(yīng)用將諧波注入?yún)⒖疾ㄐ?、20。除了注入的諧波分量成分，輸入電流的諧波頻譜與spwm和svpwm是很相似的3、20。通過應(yīng)用隨機(jī)pwm技術(shù)可以獲得較少的聲覺干擾19。它分散開關(guān)頻率的諧波并將其擴(kuò)充為整體譜。然而,這導(dǎo)致計(jì)算偏高, 與spwm和svpwm相比其電流脈動(dòng)也較高19。為了減少上述連續(xù)pwm技術(shù)25%-50%的開關(guān)損耗,可采用不連續(xù)的pwm技術(shù)(dpwm)，其較低的開關(guān)損耗在是以欠調(diào)制區(qū)域不可控性為代價(jià)的20。雖然dpwm中高頻開關(guān)的數(shù)量減少了,但每個(gè)開關(guān)仍會(huì)產(chǎn)生較高的di

15、/dt和dv/dt,這些是不合需求的，特別是在大功率應(yīng)用中,可關(guān)斷晶閘管(gtos)很普遍而絕緣門極換流晶閘管(igcts)新近才被使用。對(duì)于這些應(yīng)用,有選擇性的消出諧波的方法(pwm-shem)(21)是最合適的。然而，pwm-shem具有很差的瞬態(tài)響應(yīng)和高計(jì)算量。在電壓型轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，增量調(diào)制技術(shù)7、10(也稱為滯環(huán)調(diào)制)是很普遍的,但它需要對(duì)輸入電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)；此外，它會(huì)導(dǎo)致開關(guān)頻率甚至高于spwm和svpwm。針對(duì)上述定性比較,改進(jìn)的spwm和svpwm技術(shù)對(duì)應(yīng)用器件的需求能夠很大程度的滿足。仿真研究表明，改進(jìn)的spwm和svpwm在運(yùn)轉(zhuǎn)中都能產(chǎn)生令人滿意的效果，并控制單位功率因數(shù)b

16、uck式整流器與直流電機(jī)電機(jī)的聯(lián)合。在buck式整流器的應(yīng)用中，形成交流輸入時(shí)這兩種技術(shù)是非常相似的，唯一的不同是在電力半導(dǎo)體開關(guān)模式中。通過考慮了研究者們對(duì)spwm的研究經(jīng)驗(yàn)，選擇實(shí)施了改進(jìn)后的spwm技術(shù)。b工作原理buck式pwm整流器在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中的工作原理將會(huì)解釋采用改進(jìn)的spwm技術(shù)的原因。一個(gè)簡化后的三相電流型buck式整流器的電路圖如圖4。圖4電流型buck式整流器開關(guān)的切換函數(shù)被定義為：且在任何時(shí)候必需滿足。 圖5根據(jù)電源電壓定義的個(gè)時(shí)間段 圖6在時(shí)間段iii主和子開關(guān)的切換信號(hào)圖5顯示了6個(gè)時(shí)間段,其由交叉的相電壓(，)(或零交叉線電壓)所確定。在某個(gè)時(shí)間段,開關(guān)()連接

17、到最大正相，開關(guān)()連接到最小負(fù)相，此時(shí)兩組開關(guān)被稱為“主開關(guān)”。被連接到剩余的第三相的開關(guān)稱為“子開關(guān)”。圖5中，每個(gè)時(shí)間段的最大正極和最小負(fù)極相電壓是正弦波形從30至90或90至30變化的一部分。通過將恒定振幅的三角形載波信號(hào) (圖6)與正弦參考電壓片段的比較，spwm技術(shù)已被應(yīng)用于常規(guī)方法中。圖5中，正弦參考電壓片段所處階段擁有六個(gè)相電壓片段。圖6中，輸出直流電壓的平均值根據(jù)參考電壓信號(hào)不同的振幅進(jìn)行調(diào)整。整流器的轉(zhuǎn)換頻率顯然等于載波信號(hào)的頻率,并且必須是供應(yīng)頻率是六倍。在應(yīng)用系統(tǒng)中開關(guān)頻率可調(diào)的范圍為1020khz。圖6中給出了主開關(guān)和子開關(guān)在時(shí)間段iii的開關(guān)頻率的一個(gè)例子。在兩個(gè)主

18、開關(guān)(一個(gè)在整流器的較高端“u”上,另一個(gè)在較低端“l(fā)”上)或一個(gè)主開關(guān)和一個(gè)子開關(guān)同時(shí)運(yùn)行的時(shí)間段內(nèi)，交流供電作用于直流電機(jī)上將產(chǎn)生能量傳送。另一方面,在兩個(gè)子開關(guān)都處于運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)自主續(xù)流。此外，對(duì)轉(zhuǎn)換開關(guān)的自主續(xù)流，可以外部連接續(xù)流二極管(fwd)到轉(zhuǎn)換器的輸出端，作為過壓保護(hù)。這是可允許的,因?yàn)樵谏鲜鰬?yīng)用中，單位功率因數(shù)buck式pwm整流器是只運(yùn)行在第一、第三象限,導(dǎo)致總是輸出正極電壓。在正常的工作范圍內(nèi), 半導(dǎo)體傳導(dǎo)序列成對(duì)，因此為主主、主子、子子。例如從時(shí)間段iii的起點(diǎn)開始，依次是，直到過零點(diǎn) ，然后是，直到時(shí)間段iii的終點(diǎn)。 調(diào)制指標(biāo)被定義為： 其中和分別是參考電壓和載波電壓

19、信號(hào)的振幅。因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換期間由于輸出感應(yīng)系數(shù)大使輸出電流接近恒定值、從而整流器的線電流可以表示為： 其中小寫字母表示相關(guān)電流的瞬時(shí)值，大寫字母i表示輸出電流，在假定輸出感應(yīng)系數(shù)大的情況下，其值等于瞬時(shí)電流。 整流器的輸出電壓可表示為：整流器的輸入電流和輸出電壓就可以表示成式子(5)、(6)：2,5 其中供應(yīng)相電壓的峰值。在式子(6)中，整流器輸出電壓的平均值是由直接組成的，該平均值可以通過改變來控制，也可以就電源電壓波形直接轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)來控制。當(dāng)轉(zhuǎn)換信號(hào)被轉(zhuǎn)移到線電壓過零點(diǎn)的角度時(shí),這將因因子而降低2,5,如(7)所給出： 如圖4，輸入濾波整流器幾乎過濾掉所有的由轉(zhuǎn)換引起的電流諧波,同時(shí),在整流

20、器的輸入電流里以的角度引入供應(yīng)相電壓的一個(gè)相。因此供應(yīng)線電流就能被表示為：=圖4中系統(tǒng)最主要的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一是在供應(yīng)端獲得單位功率因數(shù)。這不僅使得就相電壓的相角去轉(zhuǎn)換所有的開關(guān)信號(hào)成為必要,而且需將舊調(diào)制指標(biāo)調(diào)整為。然后,整流器線電流變成如下形式: 這樣產(chǎn)生的單位功率因數(shù)如式子(10)。=其中是新的調(diào)制指數(shù)，如（11）：因而輸出電壓的平均值可以表示為：方程(12)表示這樣一個(gè)事實(shí):當(dāng)保持恒定在期望值時(shí)，為了使輸入功率因數(shù)處于單位值,不但要根據(jù)相角轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)，而且從式(6)中計(jì)算出的調(diào)制指標(biāo)也應(yīng)該被調(diào)整到/cos。假設(shè)fwd在輸出端,轉(zhuǎn)換開關(guān)函數(shù)超出30將導(dǎo)致調(diào)制指標(biāo)和整流輸出電壓呈非線性關(guān)系。

21、五、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)a技術(shù)規(guī)格buck式pwm整流器的輸入和輸出設(shè)計(jì)規(guī)格如表i。表i：直流驅(qū)動(dòng)實(shí)施的技術(shù)規(guī)格b硬件圖7顯示了實(shí)施于燒結(jié)部的25kw 100a 10-20khz直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的前視板和內(nèi)景。圖7基于buck式pwm整流器的25kw 100a直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)(a)前視圖(b)內(nèi)部1)電路布局:為了盡量減少由于連接引起的漏電感，對(duì)電源電路的布局做了精心設(shè)計(jì)。這避免了電路中由于高di/dt產(chǎn)生的過壓危險(xiǎn)。定制的匯流排用于連接電源開關(guān)和輸入/輸出過濾器(圖7(b)。2)功率半導(dǎo)體:在主電路使用了第三代igbt。在為了避免被過壓擊穿的情況下，選擇快速軟恢復(fù)二極管,他們的關(guān)斷時(shí)間低于或等于igbt

22、。igbt和各系列二極管都受控于電源線電壓峰值和整流器輸出電流的攜帶峰值。所有的功率半導(dǎo)體的額定值被選擇為它們安全系數(shù)的兩倍。3)輸入過濾器:由半導(dǎo)體開關(guān)引起的整流輸入電流諧波被低通lc濾波器濾除，調(diào)諧到1 khz(近開關(guān)頻率的十分之一)。文獻(xiàn)13中介紹到,它被設(shè)計(jì)成一個(gè)阻尼lc濾波器(圖1),目的是消除諧振危險(xiǎn)，該諧振可能會(huì)引起供應(yīng)側(cè)少許諧波分量與轉(zhuǎn)角頻率的重合。在這個(gè)阻尼低通濾波器中，電容值的最大化、電感值的最小化將會(huì)更好的過濾掉開關(guān)頻率。然而,高的濾波電容意味著對(duì)單位功率因數(shù)的操作，產(chǎn)生更多的通過延遲轉(zhuǎn)換信號(hào)去補(bǔ)償電容式無功功率。由于fwd當(dāng)前在整流器的輸出端目的是起保護(hù)作用,開關(guān)信號(hào)的

23、最大延遲角被限制在30。這將限制輸入功率因數(shù)的工作范圍能夠保持為單位值。但是,作為一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目,打算從滿負(fù)荷的100%到10%保持功率因數(shù)接近單位值。因此,當(dāng)選擇電容值時(shí),提高供應(yīng)電流中的諧波失真必須兼顧對(duì)能使功率因數(shù)保持在單位值的有效工作范圍的縮小。最優(yōu)濾波參數(shù)如下：在這些應(yīng)用中以及。典型的電容和電感電流波形如圖8。 圖8輸入濾波器電流波形 ch.3:電容器的電流(10mv/a)ch.4:電感電流(10mv/a)4)輸出過濾器：為了過濾掉輸出電壓中的開關(guān)諧波頻率(1020khz),阻尼二階濾波器被連接到整流器的輸出端，因此，穿過電樞終端。這些高頻諧波電壓分量引起電樞絕緣應(yīng)力和通過軸承時(shí)由于高

24、dv/dt引起感應(yīng)電流。輸出濾波器被調(diào)諧到1.5khz，以獲得一個(gè)衰減的將近其10%的轉(zhuǎn)換頻率脈動(dòng)電壓。一種無定形的金屬芯(1密耳金屬玻璃)被選為輸入和輸出濾波器的電感來減少功耗及芯片體積?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)芯片的尺寸和成本，輸出濾波器的電感值被選擇為，該值已足使輸出電流接近標(biāo)準(zhǔn)水平，并取相應(yīng)的電容值。圖9顯示了輸出濾波器電感的典型電壓和電流波形。圖9輸出過濾器電感電壓和電流波形 ch2:電壓 ch4:電流 (a) 時(shí)基：2 ms/div. (b) 時(shí)基：100us.5)冷卻系統(tǒng):每個(gè)系統(tǒng)被放置在ip55的櫥柜以關(guān)閉內(nèi)部空氣流通，該櫥柜內(nèi)配置有一個(gè)安裝在頂部的工業(yè)空調(diào)如圖7(a)。由于這個(gè)櫥柜里的大部

25、分耗散元素都是半導(dǎo)體,他們被安裝在散熱器的冷卻扇上。這種散熱器被安裝在經(jīng)由密封配件的櫥柜后表面，功率半導(dǎo)體器件留在櫥柜內(nèi),而散熱片和冷卻扇仍在外面。c控制器的實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制、保護(hù)和監(jiān)控任務(wù)都是由微控制器數(shù)字執(zhí)行的。控制器的硬件電路原理圖如圖10。微控制器最有用的必要是嵌入式外圍設(shè)備(模數(shù)轉(zhuǎn)換器、pwm模塊、通訊塊等）的高抗噪首選。pwm操作是由一個(gè)16位單片機(jī)（日立h8s2655)執(zhí)行的。通過8位單片機(jī)(nec78p058y)對(duì)控制系統(tǒng)與用戶界面進(jìn)行監(jiān)控和監(jiān)督。其中一個(gè)被設(shè)計(jì)成整個(gè)系統(tǒng)的主控制器，包括過程控制。當(dāng)整個(gè)啟動(dòng)條件都滿足了，主控制器啟動(dòng)16位單片機(jī)使pwm運(yùn)行。除了供應(yīng)電壓各種信號(hào)

26、都被采用霍爾設(shè)備。所有的模擬信號(hào)(如圖10)都通過單片機(jī)中嵌入的10位a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。有功功率、無功功率、功率因數(shù)角都是通過單片機(jī)使用線電壓和剩余的線電流計(jì)算的。圖10控制器硬件pwm操作系統(tǒng)的方框圖如圖11。因?yàn)榍袚Q策略要求兩種不同的pwm模式及他們?cè)诿總€(gè)時(shí)間段的轉(zhuǎn)換如圖5,所以兩個(gè)pwm通道已足夠。其中一個(gè)是比較三角形載波與參考正弦波從30變化到90的,而另外一個(gè)是比較兩波形從90變化到30的。查詢表中記錄的是正弦波從30變化到90。為了維持期望的計(jì)算精度在轉(zhuǎn)換時(shí)間從100us變化到50us的可能范圍內(nèi),記錄pwm運(yùn)行的工作周期在每30us更新一次。載波頻率可以被調(diào)整到1020

27、khz，具體由負(fù)荷和氣候條件的實(shí)際約束而定。這些pwm模式p1和p2以及它們的相反端和借助單位開關(guān)選擇器管理開關(guān),如圖10。在圖10中，3位數(shù)字信號(hào)s0 s1 s2定義了圖5中六個(gè)時(shí)間段中的一段和真值表。單位開關(guān)選擇器的真值表見附表ii。單位開關(guān)選擇器的硬件被設(shè)計(jì)成一個(gè)組合邏輯電路，在每個(gè)時(shí)間段，它通過s0 s1 s2信號(hào)的選擇決定主開關(guān)和子開關(guān)搭配對(duì)pwm模式p1,p2及它們的相反端和的接收。在運(yùn)行期間，一旦探測(cè)出新的過零線電壓,pwm模式立馬按照真值表中所給的序列指向下一個(gè)開關(guān)組。為了保護(hù)驅(qū)動(dòng)和負(fù)荷，可以通過系統(tǒng)監(jiān)控和控制部件以及單片機(jī)本身關(guān)閉單位開關(guān)選擇器。圖11控制系統(tǒng)框圖表ii：開關(guān)

28、選擇器真值表圖12顯示了主程序的流程圖,該程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運(yùn)行。主要子程序的流程圖也包括在該圖內(nèi)。在整個(gè)控制系統(tǒng)中有兩種不同的pi控制器:速度和電流pi控制器。速度pi控制器通過軸轉(zhuǎn)速信號(hào)與參考速度的比較產(chǎn)生電樞電流的設(shè)定值。軸轉(zhuǎn)速信號(hào)可以直接從測(cè)速發(fā)電機(jī)得到或使用電樞電阻壓降補(bǔ)償技術(shù)計(jì)算出。電流控制器通過比較實(shí)際電樞電流信號(hào)與速度控制器產(chǎn)生的參考信號(hào)生成調(diào)制指數(shù)。根據(jù)式子(11)考慮到整流器供應(yīng)側(cè)的功率因數(shù)，需要對(duì)這種方法計(jì)算出的調(diào)制指數(shù)進(jìn)行修正。功率因數(shù)單位值偏差通過轉(zhuǎn)換整個(gè)開關(guān)模式和開關(guān)瞬間選擇來補(bǔ)償。由于fwd的存在，兩個(gè)方向的移相角都被限制在30。pi式速度和電流控制器是由軟件內(nèi)的離散

29、時(shí)間實(shí)現(xiàn)的。電流pi控制器每250us進(jìn)行輸出更新以改變調(diào)制指標(biāo)，它比直流電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)短得多。為了能靈活的調(diào)整參數(shù)、速度控制器應(yīng)在可調(diào)時(shí)進(jìn)行輸出更新。由于速度控制器并不需要同電流控制器一樣快,因而其最低更新時(shí)間被選為1.66us。圖12直流驅(qū)動(dòng)的流程圖六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果基于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的16位單位功率因數(shù)buck式pwm整流器自中期2000年以來已被成功運(yùn)行在工廠內(nèi)。 測(cè)試結(jié)果是從25kw1q直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在燒結(jié)區(qū)獲得的，將呈現(xiàn)在本文中。在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行在接近半載荷、開關(guān)頻率為9.6khz時(shí)的供應(yīng)電流和相應(yīng)相電壓波形如圖13。圖14顯示了輸入功率因數(shù)對(duì)負(fù)載的變化。對(duì)所有已安裝的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

30、收集的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了在功率因數(shù)超過滿載到部分負(fù)載的工作范圍時(shí)，輸入功率因數(shù)幾乎可以維持為常數(shù)。輕負(fù)荷（根據(jù)驅(qū)動(dòng)規(guī)模低于滿載10%-20%的負(fù)荷)時(shí)，在主要的功率因數(shù)范圍內(nèi)輸入功率因數(shù)偏離了單位功率因數(shù)。這是一個(gè)預(yù)期的結(jié)果,因?yàn)樽畲罂捎糜谵D(zhuǎn)換信號(hào)的30相移產(chǎn)生于fwd的外部連接操作。 圖13 ch.4:電源電流(10mv/a)和ch.2:相電壓圖14載荷時(shí)輸入功率因數(shù)的變化圖15同時(shí)記錄了對(duì)整流器輸入電流之前和之后過濾的采樣，圖16顯示了它們的諧波譜，從圖16(a)中容易看出開關(guān)頻率(9.6千赫)的旁帶諧波及其諧波倍數(shù)。這些諧波能被成功過濾掉可以從圖16(b)的諧波譜中理解。圖15pwm整流器在

31、ch.3:之前(16mv/a)在ch.4:之后(10mv/a)過濾的輸入電流 圖16電源電流的諧波譜 (a)輸入過濾之前 (b)輸入過濾之后圖17顯示了整流器的輸出電壓、電樞電流和應(yīng)用于相同操作和轉(zhuǎn)換條件下的電樞電壓波形。經(jīng)過過濾,電樞電流和應(yīng)用電壓波形接近標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于老式電機(jī)設(shè)計(jì),如果電機(jī)由線換向交直流轉(zhuǎn)換器供電,比如一個(gè)6脈沖晶閘管整流器,第六次電壓諧波和諧波倍數(shù)將驅(qū)動(dòng)它們自己的電流諧波分量流過電樞繞組,在換向器上造成嚴(yán)重的電流變換故障問題,特別是在滿載情況下高速運(yùn)行時(shí)18，這將被阻塞在轉(zhuǎn)換器輸出端的充分大的直流電所消除。另一方面,應(yīng)用電機(jī)電壓上的高dv/dt和瞬時(shí)峰值會(huì)導(dǎo)致在電樞上產(chǎn)生很高

32、的絕緣應(yīng)力,長期下來會(huì)致使電機(jī)加速老化和絕緣失效。此外,運(yùn)行在電機(jī)和變換器之間的長電纜會(huì)使上述情況進(jìn)步惡化1617。圖18顯示應(yīng)用電機(jī)電壓脈沖的上升沿,即使是短的電機(jī)電纜線路(50m)，隨后都會(huì)把輸出過濾器從處于磁場(chǎng)中的電路中斷開。值得注意的是,即使50米的電纜線路,瞬時(shí)峰值電壓為750v(比正常值550v高50%)，dv/dt為3.5kv/us。對(duì)于較長的電纜線路(250m),其峰值電壓可達(dá)1.2kv。圖17pwm整流器的輸出特性ch.2:整流輸出電壓ch.3:電樞終端電壓(250v/div)ch.4:電樞電流(10mv/a)圖18應(yīng)用電機(jī)電壓脈動(dòng)的上升沿七、結(jié)論基于單位功率因數(shù)buck式p

33、wm整流器的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)顯示了該系統(tǒng)具有高于高成本的晶閘管線換向直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的工作特性,并提供標(biāo)準(zhǔn)供應(yīng)電壓水平和標(biāo)準(zhǔn)直流電機(jī)電壓等級(jí)形成良好的匹配,如此就無需特別的整流變壓器。更高的初期購置成本被大大抵消，因?yàn)闊o需外部連接可變無功功率補(bǔ)償和尺寸相對(duì)較大的諧波濾波器,特別是在嚴(yán)格要求諧波和功率因數(shù)限制的國家都采用該方法。此外,通過使用buck式pwm整流器聯(lián)合一個(gè)簡單的、廉價(jià)的高頻輸出過濾器,輸出電流和電壓幾乎可以接近似標(biāo)準(zhǔn)波形。為了防止風(fēng)險(xiǎn)這對(duì)直流電機(jī)設(shè)計(jì)是極為重要的，這些風(fēng)險(xiǎn)包括電機(jī)在欠載下高速運(yùn)行時(shí)變換失敗、高dv/dt導(dǎo)致的絕緣失敗、軸承電流導(dǎo)致的機(jī)械故障。單位功率因數(shù)buck

34、式pwm整流器在直流電機(jī)應(yīng)用中的使用提出了一些新的方法例如4-q操作的可能性,輸入電流的低諧波失真等，超過了使用其它已知的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同目前的igbt技術(shù)一起,近500kw單位，似乎可以投入實(shí)施。參考文獻(xiàn)：1 r. ridley, s. kern, and b. fuld, “analysis and design of a wide input range power factor correction circuit for three-phase applications,” in proc. ieee apec93, 1993, pp. 299305.2 l. malesani a

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