一种提高厂矿负载电能利用率的仿真设计.doc

1、提高厂矿负载电能利用率的仿真设计徐冬 1，方祥 2 ，曾志勇 3（安徽理工大学电气学院淮南 邮编232001 ）摘要： 由于矿山中的大型负载设备的电能使用效率不高，会造成产生污染供电网的谐波，并且增加成本。 从改善负载的功率因数方面， 设计一种基于PWM 双闭环控制的整流逆变装置，提高负载的功率因数， 使得电能的利用率得以提高， 从而减小谐波对电网的影响，降低成本，增强企业的竞争力。关键词 ：功率因数； PWM 整流；仿真研究Design on Raising the Efficiency of Factories Electric Equipments123xudong ,fangxiang

2、 ,zengzhiyong(Electrical Engineering Department,Anhui University of Science and Technology)Abstract : Now, the efficiency of factories electric equipments is low, to get the cost become high.In this paper, give a design according to PWM double shuts wreath control of AD-DC,DC-AC.Make the efficiency

3、high. Strengthen the competition ability of business enterprise.Keywords： Power-factor; PWM rectifier; simulation study1.引言现代工业系统中,诸如炼钢电弧炉,电气化铁道 ,矿井提升机 ,可逆式大型轧钢机等均属于动态变化的非线性快速变化,导致供电电压的波动和闪变,供电电压的波形畸变,功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡,从而使电网电能质量变坏.并且造成巨大的经济浪费 ,本文中以矿山中常用的矿井提升机为负载，设计一种使负载的电压电流相位近似保持一致， 增加负载从

4、电网中获取的有功功率的比例常数，提高电能的使用效率， 降低线损节省生产开支并且改善电网的供电环境。2.三相 VSR 的基本原理与数学模型2.1 三相 VSR 的拓扑结构电路采用双极性控制方式。a、b、 c 三相的 PWM 控制通常会用一个三角载波uc ；三相的正弦调制信号 uma 、 umb 、 umc 且其幅值、频率相等，相位依次相差120o。三相 VSR 的拓扑结构如图1 所示。V1V3V5ioPEaRai AaD1D3D5icoI oLa+ CEbRi BbuabfbLbNRciCubcNRLU dcEccLc+C fV4V6V2D4D6D2N图 1 三相 VSR 的拓扑结构图2.2 三

5、相 VSR 稳态数学模型一般三相VSR 交流侧电感的寄生电阻阻值很小，可以认为RaRbRc0 。则，三相 VSR 交流侧单相（ a 相）下图的等效电路图表示。LauLaEaeauaNIU LU aN图 2 VSR 交流侧单相等效电路图图 3 相量关系图图中：eaE a sintuaNU p sin(t)uLaU L sin(t)根据图 2，它们应满足图3 所示的相量关系图。图中，因为相量I 与 UL 垂直，所以有90 故sincos根据正弦定理有：U LU P 得sinsinU P sinU L sin把（ 4）代入（ 5），得U P sinU L cos此外，当系统稳定时，还满足静态功率平衡

6、关系，即udc23UI cosRL其中， UEa ， IU L22 L把（ 6）式代入上式，化简为31udc22EaU p sinRLL如果用正弦波脉宽调制（ SPWM ），忽略高次谐波的影响，系统达到稳态时，如下关系：U pmr udc2式中： mr 调制度（ 1）（ 2）（ 3）（ 4）（ 5）（ 6）（ 7）（ 8）U p 与 udc 存在（ 9）把式（ 9）代入（ 8），经化简得udc3 Ea mr sinRL（ 10）4L这样就得到了三相AC-DC 电压源型变流器的交流侧稳态数学模型。3.矿井提升机PWM 整流逆变系统的设计及仿真3.1控制系统的结构EduaEq0abc/dqPLLi

7、qu 、 iidRididPI-Ltan* tan * iq*-u*pqU dc*iqLU dc +LSPWM-id*- +u pdi d*PIPI+负载Ed图 4 三相电压型整流器控制结构图在控制系统中， 为了保证整流器的输出电压恒定，采用电压闭环调节，电压的偏差量经比例积分调节器， 其输出量表示期望的交流电流的有功分量，图中用 i d*表示。根据期望的功率因数角* ，可得对应 id*的交流电流的无功分量期望值i q* 。若期望的功率因数为 1，则 iq* 为零。同时，为了提高交流电流的快速响应，提高功率因数控制的准确性，采用电流闭环调节，即设置了 id*、 i q* 两个电流环。 i d

8、电流调节器的输出电压为期望的调制电压u*pd 。为了提高电流的响应速度， 设置了前馈控制环节， 即 u*pd 由 id 调节器的输出电压和Li q 、Ed 构成。 u*pq由 iq 调节器的输出电压和Li d 构成。在旋转坐标中，根据期望的调制电压up* 在 d、q 轴上的分量，经反旋转变换，得到静止坐标系中的与其对应的 u*p、 u*p 。变换矩阵为：u*pcossinu*pdup*sincosupq*采用正弦波脉宽调制（SPWM ）方法得到六相脉冲，需经过2/3 变换，得 u p 在 a、b、 c三轴上的分量。*10u pau*p2 -1/2u*pb3 / 2*u*pc3-1/ 2- 3/

9、2up图中将检测到的三相交流电流、电压经过 3/2 变换和旋转变换， 得到其电流电压在旋转坐标中对应的分量。变换矩阵如下：C3/ 221-1/ 2-1/ 2303 / 2- 3/2CV/Dcossinsincos上述变换中所用到的，由图中的锁相环得到。根据提升机的工作状态，整流器应可以工作在整流和逆变两种工况。下面将对整流和逆变两种工况下，整流器的稳态性能进行仿真分析。3.2 仿真结果 ：40V ；电感 5mH；直流侧电容2350F；负载仿真参数如下：电源交流侧相电压有效值电阻 25；直流电压期望值200V ；整流器开关频率6KH Z。1 整流工况的稳态分析图 5 交流侧电压和电流稳态2 逆变工况的稳态分析图 6 交流侧稳态电压和稳态电流据上面各波形， 可以得到整流器无论工作整流工况还是逆变工况，系统各方面的稳态性能均能到达带提升机负载的要求。4.结语通过设计一种适合厂矿大型用电设备的改进方法，使得负载的输入输出电压电流的相位得到改善， 减小矿山大型机械的谐波产生，提高了负载的用电效率节约能耗，降低成本，使得厂矿的竞争能力得到增强。为将来该类设备的改进具有一定的参考价