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1、重 庆 理 工 大 学文 献 翻 译二级学院 电子信息与自动化 班 级 学生姓名 学 号 单位功率因数Buck式脉宽调制整流器在中/大功率直流电机驱动中的应用摘要：本文介绍了单级的单位功率因数buck式脉宽调制(PWM)整流器在中-大功率恒直流电机驱动中的应用。该方法的优点是在交流供电电流中谐波失真低(即符合IEEE 519标准和IEC 555),单位功率因数接近在一个运行轴转速大范围内,电枢电流和电压波形接近标准。大量整流器的这些输出电压、电流特性可完全消除任何电流变换甚至对古老的电机设计结构中的失败风险,但进一步会产生电机问题，例如加速电机绝缘老化,以及由于流通的轴承电流导致的机械故障。本
2、文将buck式PWM整流器的这种设计标准和操作特征、特性用于单位功率因数直流电机驱动方面进行了讨论。该方法已经测试了25-65kW 100-150A 10-20kHz的直流电机驱动,并被用于钢铁工厂的各种工艺流程中。关键词：直流电机驱动，电能质量，脉宽调制，整流器一、引言最近几年中，研究人员对原有的洁净新电力转换器拓扑结构提出建议和发展指示了人们对电能质量越来越重视。这些转换器运转接近单位功率因数(功率因数), 向供应注入很低的谐波含量，从而工作在相对较高的转换效率状态。几种有或没有隔离的单位功率因数整流器拓扑结构如buck,boost和buck位oost衍生拓扑结构已经被确定。他们的工作情况
3、被发表在文献1-12。其中,单位功率因数buck式脉宽调制整流器只是其中最常见的拓扑结构之一，详细研究了近十年来的文献2、4-11。除了文献11研究了整流器与直流电机的组合，文献2、4 -6、8-10只做了buck式单位功率因数PWM整流器应用于负极负载的研究。不幸的是,记录这种整流器在实际应用中的使用的刊物相当有限。许多高频率PWM技术,如修改正弦脉宽调制2,空间矢量调制4,三角调制10 技术已经被提出，并实施于单级的三相buck式的PWM整流器中。文献2中给出了buck式PWM整流器修改正弦脉宽调制技术的工作原理和设计标准。文献5中，发布了一种以正弦PWM技术为基础的修改算法，其在稳态时用
4、于一个独立的控制回路以补偿输入电流位移因素和输出电压调节。文献4中介绍了使用空间矢量调制技术发展和实施buck式PWM整流器的PWM技术。文献6和8对单独的buck式PWM整流器进行了研究，在文献6中,对这些类型的整流器实现了零电压转换。在高功率密度中，Buck式PWM整流器为交流直接转换为直流提供了一个良好的解决方案，以满足电力部门实行的严格的功率因数损耗限制和输入线电流谐波失真限制，这些限制取决于各种谐波，如IEEE 519标准和IEC 555等。一个令人关注的应用可能是这种转换器可以升级工作，按照当前的电能质量规则，在直流电机驱动仍工作在工业中时，它可以被控制。这转换器还能提供优越的输出
5、特性,特别是对旧直流电机设计,可化合为一个简单的、便宜的高频输出过滤器。本文论述了三相buck式PWM整流器在中/大功率直流电机驱动中的应用的设计和实现。对相应直流电机驱动的重要特征、设计要求和buck式PWM整流器在恒直流电机应用中的运行特点作了详细讨论。由此产生的直流电机驱动在这个领域取得了成功的业绩。在土耳其 Hatay的Iskenderun钢铁厂,这个升级工作已经应用于各种流程。它使得下线最小化,减少了定期检查、维修工作,并将转换效率增加到了平均2000。二、问题定义 在本文中，三相buck式单位功率PWM整流器已经应用于中功率直流电机驱动调速中，由此产生的新一代一象限(1-Q)和可逆
6、性二象限(2-Q)直流电机驱动已被用于Iskenderun钢铁厂现代化工作范围内的各种进程中,例如烧结工艺及原料装载过程(见附表)。在1998年实现这些现代化工是不可避免的，原因如下: 电力当局实行的新处罚规定的功率因数限制(每月高于0.95低于0.98), 目前国家要求遵守的谐波规则几乎与IEEE 519标准是一样的。 在钢铁制造行业，为了能够竞争市场需要更有效的使用电力。乍一看,变频交流电动机驱动采用鼠笼型感应电动机似乎是解决这个问题的一种可行性办法。然而,同等可行性研究表明,与使用变频式交流传动技术相比，保留目前的他励直流电机,并优化他们的转换器和控制系统是最经济的解决方案，原因如下：
7、当前直流电机都保持在良好的状态,许多零部件都有可利用的存货,并且还有有经验人员进行维护和修理。 对机械零部件进行重要修正和安装都需要更换当前的鼠笼型直流感应电机,尽管12、8和6极感应电机比较昂贵，但为了匹配速度仍需使用。 在涉及驱动恒定负载转矩及严格要求过载承受能力在一个设定的大速度范围内的动态驱动系统中，传统的直流驱动仍然发挥着主导地位。在转盘常常被卡住的烧结带这是非常重要的。 使用频率控制的可变驱动器将进一步需要特殊转换类型的交流电机,或为了去除电机上高绝缘应力需要昂贵的输出过滤系统，从长远来看这种高绝缘应力能加速电机衰老和绝缘失效。为了达到项目的目标,目前的直流电动机驱动升级主要是用单
8、位功率因数buck式PWM整流器取代磁场放大器、Ward Leonard系统,其次是老版本的六脉冲线换向桥转换器(图1)。该选择背后的思考是用单位功率因数buck式PWM整流器替换现代版的半导体闸流管线换向交直流转换器。因为大多数运转期间,这些电机运行速度低于额定值的一半，因此，在电枢电压小于250V（直流）,0.4kV的两线间可用50Hz交流供电。这意味着六脉冲半导体闸流管交直流转换器,如果选择,将运行在一个很高的触发角度,因此将消耗大量的来自供应的无功功率,导致输入功率因数低绝大部分时间小于0.5。图1 单位功率因数buck式PWM整流器在他励直流电机应用的电路原理图此外,它将大量的低频超
9、高谐波如五次、七次、十一次电流谐波整合进入供应。部分直流电机驱动在钢铁厂运行操作时，其无功功率功耗变化通常是快速的,这使得使用昂贵的无功功率补偿和过滤成为必要的解决方案,如有功功率滤波器或动态无功功率发电机以负极分流过滤器的形式进行设计。然而,buck式PWM整流器的固有选择使其运行在宽调速范围内时功率因数接近单位值, 供应的频率且不产生任何低次谐波诸如五、七、十一、十三次。由于所选择的调制技术是正弦脉宽调制,该整流器产生的谐波作为转换频率的旁带及扩充。和当前的半导体技术一起, 硬开关的开关频率在1020kHz这个中等功率范围内可达到100KW。这使得使用高频输入过滤成为必要，它与六脉冲线换向
10、交直流转换器相比，其尺寸相对较小,且有一个固定的配置,因此更可靠,而且更便宜。三、系统描述单位功率因数buck式PWM整流器为他励直流电机的电枢电路提供电力的电路原理图如图1。该框图表示了控制系统，也显示出了速度反馈环。每个电力半导体开关由一个串联有快速恢复二极管的IGBT组成，导致反向电压阻断容量和单向电流流过。高频阻尼LC滤波器连接到整流器的输入侧，过滤掉开关频率线电流中的谐波分量。为了避免由于陡峭的电压波峰加速电机绝缘老化以及由于循环轴承电流引起的机械故障,开关频率谐波被阻尼输出过滤器所过滤出去。在过去的十年里仅对于变频感应电机驱动这个问题都一直被报道 1517 。在本文中,修改后的正弦
11、脉宽调制技术2被选择用来构成切换信号。切换信号是由16位单片机（日立H8S2655) 所产生的一个固定的频率。闭环直流电机的速度控制是由在同一单片机上的比例积分(PI)控制策略数字实施所取得的，该单片机也负责该系统的单位功率因数运作。两额外的单片机(NEC 78P058Y)是用来作为保护、展示和通讯用途的。图22-Q可逆直流电机驱动器运行特性。在Iskenderun钢铁厂，由于抽风机风扇是恒转速机械，在中期烧结过程受烧结线速度的变化控制。因此,在这些驱动器以及直线冷却器中,1-Q直流电机驱动是必要的,导致速度控制只作用在速度转矩平面的第一象限,单向不断领域激发。然而, 普通驱动器的吊杆转向功能
12、需要双向的轴速度。因此,对于这些如2-Q可逆直流电机驱动器的设计要采用单向单位功率因数buck式PWM整流器的电枢侧(图2),及四象限(4-Q)直流转换器的励磁侧(图3)。图3中的4-Q的直流转换器允许励磁电流迅速倒转,并保持不变的预定值以抵抗电源电压波动。图34-Q场励磁器的工作模型四、BUCK式PWM整流器在直流电机驱动中的工作原理A与PWM技术的比较PWM技术已被广泛应用于变频交流电动机驱动的电压型和电流型逆变电路中(分别为VSIs和CSIs)。单位功率因数buck式整流器的控制也是以这种技术在供应电流中低失真为基础的2、411。在本文中,PWM技术比较针对于直流电机驱动应用的需要。这些
13、技术简单可靠,具有很好的瞬态响应、大多数运行期间调制指数低(0-0.5)、输入功率质量高，优化了开关损耗使半导体冷却系统得以实现，并优化了输入和输出过滤器的尺寸，使供应中含有低次谐波的输入滤波器无交互作用。正弦脉宽调制技术(SPWM)自早期的PWM-VSI技术开发以来发现了广泛的应用。虽然调制指数的控制范围相对狭小3、20，但SPWM是一个简单的技术且具有良好的瞬态响应19。与传统SPWM相比，采用一种改进了的SPWM技术能够获得较宽的调制指数控制范围。该技术最初是被发表在2中,而且在3中也能找到。空间矢量PWM(SVPWM)具有较宽的调制指数控制范围、实现简单、良好的瞬态响应,并以较高的开关
14、损耗和声觉干扰为代价获得了超过调制指标范围的最佳谐波失真因素19。为了获得过调制，谐波注入PWM(HIPWM)可以应用将谐波注入参考波形3、20。除了注入的谐波分量成分，输入电流的谐波频谱与SPWM和SVPWM是很相似的3、20。通过应用随机PWM技术可以获得较少的声觉干扰19。它分散开关频率的谐波并将其扩充为整体谱。然而,这导致计算偏高, 与SPWM和SVPWM相比其电流脉动也较高19。为了减少上述连续PWM技术25%-50%的开关损耗,可采用不连续的PWM技术(DPWM)，其较低的开关损耗在是以欠调制区域不可控性为代价的20。虽然DPWM中高频开关的数量减少了,但每个开关仍会产生较高的di
15、/dt和dv/dt,这些是不合需求的，特别是在大功率应用中,可关断晶闸管(GTOs)很普遍而绝缘门极换流晶闸管(IGCTs)新近才被使用。对于这些应用,有选择性的消出谐波的方法(PWM-SHEM)(21)是最合适的。然而，PWM-SHEM具有很差的瞬态响应和高计算量。在电压型转换器应用中，增量调制技术7、10(也称为滞环调制)是很普遍的,但它需要对输入电流进行在线监测；此外，它会导致开关频率甚至高于SPWM和SVPWM。针对上述定性比较,改进的SPWM和SVPWM技术对应用器件的需求能够很大程度的满足。仿真研究表明，改进的SPWM和SVPWM在运转中都能产生令人满意的效果，并控制单位功率因数buck式整流器与直流电机电机的联合。在buck式整流器的应用中，形成交流输入时这两种技术是非常相似的，唯一的不同是在电力半导体开关模式中。通过考虑了研究者们对SPWM的研究经验，选择实施了改进后的SPWM技术。B工作原理Buck式PWM整流器在直流电机驱动中的工作原理将会解释采用改进的SPWM技术的原因。一个简化后的三相电流型buck式整流器的电路图如图4。图4电流型Buck式整流器开关的切换函数被定义为：且在任何时候必需满足。
