一个单位功率因数降压型PWM整流器中高功率DC电机驱动应用.doc
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1、一个单位功率因数降压型PWM整流器中/高功率DC电机驱动应用Hazm Faruk Bilgin, Member, IEEE, K. Nadir Kse, Grkan Zenginobuz, Muammer Ermis, Member, IEEE, Erbil Nalac, Isk adrc, Member, IEEE, and Hasan Kse摘要本文描述了一个单级统一功率因数降压型脉宽调制应用(PWM)的整流器和高功率变速直流电动机驱动器。所开发系统的优点是在交流电源电流低(与IEEE.519和IEC 555标准行事)谐波失真,几乎团结在较宽的工作速度范围轴功率因数,接近水平电枢电流和电压
2、波形。输出电压和电流转换器的数量甚至完全消除这些属性的最古老的电机设计中的任何电流换相失败的风险,如加速电机绝缘老化问题进一步电机和机械故障而循环轴承电流。设计标准和经营特点和降压型PWM整流器的特点受制于一个单位功率因数直流电动机驱动器上进行了讨论。由此产生的系统的性能进行了测试25- 65千瓦100- 150 A 10 - 20千赫兹的直流电动机驱动,在一个钢铁厂各工序使用。 关键词流电动机驱动,电能质量,脉宽调制,整流器。1.引言近年来,重点增加对电能质量提出了直接针对本身的清洁和发展新的功率变换器拓扑的研究。这些转换器工作在接近单位功率因数(PF),注入的供应非常低的谐波含量,并以相对
3、高的工作转换效率。 几个统一功率因素,如降压,升压整流拓扑,带或不带隔离降压升压拓扑派生已经提出的日期。他们的表演已被文献报道。其中,团结功率因数降压型脉宽调制(PWM)整流器是在详细研究在过去十年中最常见的拓扑结构之一。这些研究只处理文件IPCSD02-037在2001年的工业应用学会年会,芝加哥,九月30号至10月5日提出,并在工业应用会刊出版批准委员会工业电源转换器IEEE工业应用学会。稿件提交审查2001年8月1日发布并出版02年6月7日。H. F. Bilgin, M. Ermis, E. Nalac, and I. adrc are with the TBITAK-METU Inf
4、ormation Technologies and Electronics Research Institute, TR06531 Ankara, Turkey, and also with the Electrical and Elec-tronics Engineering Department, Middle East Technical University, TR06531Ankara, Turkey (e-mail: faruk.bilginbilten.metu.edu.tr; ermismetu.edu.tr;aenalrorqual.cc.metu.edu.tr; cadir
5、cibilten.metu.edu.tr).K. N. Kse and G. Zenginobuz are with the TBITAK-METU Information Technologies and Electronics Research Institute TR06531 Ankara, Turkey.单位功率因数降压型脉宽调制整流器应用到被动负荷2,4- 6,8- 10除11,探讨了转换器,直流电动机的组合。遗憾的是,在此转换器在实际应用中利用有限的出版物7。许多高频脉宽调制技术,如修改后的正弦脉宽调制2,空间矢量调制4,和delta调制10技术已被提出,并为单级三相降压实施,型
6、脉宽调制整流器。经营原则和降压型脉宽调制整流器的设计标准采用正弦脉宽调制技术改进是在2中给出。一种改进的正弦脉宽调制技术为基础的算法,是用人的输入电流位移因数补偿在稳定状态和输出电压调节一个单独的控制回路已经制定了5。脉宽调制技术的使用空间矢量调制已经开发和降压型脉宽4调制整流器实施。隔离的降压型脉宽调制整流器已在6和8,零电压开关调查,为这些类型已实现6。 本文论述设计和三相降压型脉宽为中/高功率DC电机驱动应用的调制整流器的执行情况。设计标准,所产生的直流马达驱动器的重要特征,以及降压型脉宽在变速电机应用调制整流器直流工作特性给出的文件。对造成的直流马达驱动器成功的业绩数字已获得在外地。这
7、一升级工作已经应用到各个工序的土耳其哈塔伊伊斯肯德伦钢铁厂造成停机时间最小化,减少了定期检查和维修工作,并增加了2000年中期以来的转换效率。二问题定义 在这个文件中,三个单位功率因数降压型脉宽调制整流器已应用于中等功率调速直流电动机驱动器。由此产生的新一代单象限(1 - Q)和可逆的两象限(2 - Q)的直流电动机驱动器已被应用到伊斯肯德伦钢铁厂各工序在现代化的工作,如烧结,范围工艺和原料充电过程(见附件)。这个现代化的实现工作被认为是在1998年,由于不可避免的原因如下: 对于公积金的限制施加新的处罚电力局(0.95滞后0.98按月铅); 要符合本规定中谐波的国家几乎是与IEEE.519标
8、准相同; 为更有效地使用钢铁制造电力的需要,以便能够在市场上竞争。乍一看,对变频交流电机采用鼠笼式异步电动机驱动器的使用似乎是一个可行的解决这一问题。然而,同行的可行性研究表明,目前维持励直流电动机,提升他们的转换器和控制系统是随着变频交流传动技术的使用最经济的解决方案比较,原因如下:目前的直流电动机都处于良好状态,许多备件库存可除了为维护和维修经验丰富的人员。显着的机械零件和安装工作需要修改的鼠笼式异步电动机直流电动机替代目前,尽管相对昂贵的12,八和六杆的异步电机速度匹配的目的使用了。传统的直流传动继续发挥主导作用,当负载转矩恒定的严格要求和动态驱动器过载承受整个大速度设定范围涉及能力。这
9、一点尤其在烧结带托盘的地方往往是经常堵塞重要。在频率控制的可变速驱动器的使用将进一步必要的特殊转换型AC钼的职权范围,或昂贵的输出过滤系统,以获得高绝缘电机上摆脱压力,造成加速老化,绝缘故障的长期15- 17。为了满足该项目的目标,目前的直流电动机驱动器主要是通过更换升级磁性放大器,和沃德伦纳德系统,其次是老的六脉线换版本的团结桥变换器功率因数降压型脉宽调制整流器(图1)。背后的统一功率因数降压型脉宽调制整流器的抉择,而不是对thyristorized线换向的AC - DC转换器的现代版本如下。为工作在绝大多数时候,这些电机运行速度小于额定值的一半,因此,从现有的0.4千伏线对线50 Hz的交
10、流电源低于250V的电枢电压。这意味着六脉thyristorized的AC - DC转换器,如果选择,将工作在非常高值射击角度,从供应无功功率从而消耗相当数量,从而导致公积金不少于0.5低投入的大部分时间。此外,它注入,如第五,第七,第十一和电流谐波成分进入供应显着的低频超谐波数。由于无功消耗的变化通常是快速的直流电机在钢铁厂工作驱动系统,这种选择的成本作必要的无功补偿和滤波方案,例如使用有源电力滤波器或动态无功发生器的设计在被动分流过滤器的形式。然而,降压型脉宽调制整流器的选择本身工作在功率因数几乎在很宽的转速范围内的团结,不会产生如第五,第七,十一任何低次谐波和13倍的电源频率。既然选择了
11、正弦调制技术是脉宽调制,这种转换器产生作为开关频率及其倍数边带谐波。按照目前的半导体技术,开关频率在10-20的中等功率范围高达100 kHz的硬开关千瓦范围。这使得需要一个高频率的输入过滤器,在规模较小的使用,有固定的配置,因此是更可靠,更便宜的比较与六脉冲线换向的AC - DC转换器。三系统描述单位功率因数降压型脉宽调制整流器供电的一个单独的励直流电动机电枢电路连接图如图.1所示。该控系统和速度反馈回路框图表示也显示在相同的数字。每个功率半导体开关由超快恢复二极管与IGBT串联的,在反向电压产生的阻断能力和单向电流。一个低通滤波器是阻尼连接到转换器的过滤掉了线电流的开关频率谐波成分的输入端
12、。为了避免电机绝缘老化加速和因陡峭的电压波前,由于机械故障和循环轴承电流,开关频率谐波被过滤掉了阻尼输出滤波器。这个问题已经报告在过去十年中唯一变频异步电机驱动器15- 17。 Fig. 2. Operating characteristic of the 2-Q reversible dc motor drives.在本文中,修改后的正弦脉宽调制技术2选择开关信号来构造。开关信号由16- B的微控制器(日立H8S2655)在一个固定的频率产生。闭环的直流电动机调速控制是通过一个比例加积分(PI)在同一微控制器,它也是系统的统一功率因数负责经营数字控制策略的实施。两个额外微控制器(NEC公司7
13、8P058Y)是用于保护,展示和交流的目的。在伊斯肯德伦钢铁厂,由于排气风扇定速机,烧结过程中通过改变控制在适度的任期内烧结股的速度。因此,在这些驱动器和直线冷却器,1- Q报表直流马达驱动器是需要的,在速度控制行动造成只在速度扭矩平面的第一象限的一个单向恒定励磁。然而,从繁荣到转折点是单向通用开机器的行动需要在两个方向轴的速度。因此,对于这些机器2- Q报表可逆直流马达驱动器的设计由一个单向的统一功率因数降压型脉宽调制整流器的电枢端(图2)的使用,和一个四象限(4 - Q)的DC - DC转换在球场上侧(图3)。4- Q报表的DC - DC转换器(图3)允许两个领域目前迅速扭转,并保持它在电
14、源电压波动对预置值不变。四、营运的直流电动机驱动,降压型PWM整流器原理A脉宽调制技术比较脉宽调制技术已被普遍使用的电压和电流源逆变器的变频交流电机驱动器(VSI和CSI分别)。单位功率因数降压型整流器的控制也对电源电流在低失真这些技术为基础2,4- 11。在本文中,脉宽调制技术比较了直流马达驱动的应用程序的需要。这些都是可靠性和简易性,良好的瞬态响应,低调制指数(0-0.5)为工作时间,高输入功率质量最,优化的开关损耗,使半导体制冷系统可实现的,适宜的输入和输出滤波器体积不带过滤器的输入互动与低次谐波的供应存在。Fig. 3. Operation modes of 4-Q field exc
15、iter.正弦功率因数技术技术(SPWM)发现以来的PWM-VSI的科技大厂的早期发展广泛的应用范围。虽然调制指数控制范围相对较窄3,20。正弦功率因数技术是一种简单的技术,具有良好的瞬态响应19。更广泛的控制范围的调制指数相比,古典正弦功率因数技术可以通过采用改进的正弦功率因数程技术,它最初是在2发展得来的,也可以在3中找到。空间矢量脉宽调制(SVPWM)拥有的调制指数在更高的开关损耗费用广泛的调制指数,简单的实现,良好的瞬态响应,谐波失真度和最佳的控制范围宽在更高的开关损耗和噪声烦恼费用19。为了获得过调制,谐波注入脉宽调制(HIPWM)可用于注入参考波形谐波3,20。输入电流谐波频谱是非
16、常相似的正弦功率因数技术和空间矢量脉宽调制者,但注入的谐波分量的贡献3,20。降低噪声可以得到的随机脉宽调制技术的应用19。它的开关频率谐波分布及其倍数的整体频谱。但是,这种计算结果的开销以及更高的功率因数在正弦技术和空间矢量脉宽调制的电流纹波比较19。为了减少连续脉宽调制提到了25-50,连续脉宽调制技术(DPWM)金额以上技术的开关可以采用20的损失。更低的开关损耗中的DPWM在不可控的下调制地区支出为20。虽然在高频率开关在DPWM的数量减少,每个开关产量仍然很高,这是不可取的,特别是在高功率应用中,栅极关断晶闸管(陆地观测系统)通常和绝缘门极换(IGCTs)是新使用。对于这类应用,选择
17、性谐波消除法(脉宽调制脉冲SHEM)21是最合适的一个。然而,脉宽调制,脉冲SHEM遭受贫困的瞬态响应和高的计算量。增量调制技术7,10(也称为滞后调制)是非常电压源转换器应用中广受欢迎,但它需要输入电流在线监测;此外,它甚至比在开关频率以及更高的SPWM和SVPWM的。在上面给出的定性比较,修改查看SPWM与SVPWM控制技术,满足大部分应用的需求。模拟研究表明,修改操作SPWM与SVPWM的同时取得令人满意的表现,以及一个单位功率因数降压型整流直流电动机相结合的控制。在降压型整流器应用,这两种技术都非常塑造输入交流量,唯一的差别在功率半导体开关模式是相似的。修改后的正弦脉宽调制技术,已被选
18、定为实施考虑作者的过去与SPWM的经验。Fig. 4. Current-source buck-type rectifier. B.操作原理 降压型PWM整流器中的直流电动机驱动器的工作原理来解释将修改后的正弦脉宽调制技术。一个三相电流源降压型整流器的简化电路图如图所示。 交换机的交换功能被定义为: ON denotes the supply line to which the switch connected OFFwhere denotes the upper or lower part of the bridge to which the switch belongsand, at an
19、y time, must be satisfied.有六个时间间隔,由线到中性电压( )十字路口(或零线对线电压穿越)决定如图.5。在一定的时间间隔,开关 连接到最积极的阶段和开关( )连接到时间间隔内最消极的阶段被称为“主开关。“这些交换机连接到其余的第三阶段被称为“子开关”。最积极和最负线到中性每个环节的时间间隔电压在图.5中是不同无论是从30到90或90至30正弦的波形部分。SPWM技术已应用在通常的方式,通过比较恒定振幅的正弦参考电压段(图6)三角载波信号。Fig. 5. Six time intervals defined with respect to supply voltage
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