提高厂矿负载电能利用率的仿真设计

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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DesignonRaisingtheEfficiencyofFactories'ElectricEquipmentsxudong1,fangxiang2,zengzhiyo

2、ng3(ElectricalEngineeringDepartment,AnhuiUniversityofScienceandTechnology)Abstract:Now,theefficiencyoffactories'electricequipmentsislow,togetthecostbecomehigh.Inthispaper,giveadesignaccordingtoPWMdoubleshutswreathcontrolofAD-DC,DC-AC.Maketheefficiencyhigh.Strengthenthecompetitionabilit

3、yofbusinessenterprise.Keywords：Power-factor;PWMrectifier;simulationstudy1.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

4、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；三相的正弦调制信号、、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。图1三相VSR的拓扑结构图2.2三相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。则，三相VSR交流侧单相（a相）下图的等效电路图表示。图2VSR交流侧单相等效电路图图3相量关系图图中：（1）（2）（3）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，所以有故（4）根据正弦

5、定理有：得（5）把（4）代入（5），得（6）此外，当系统稳定时，还满足静态功率平衡关系，即（7）其中，，把（6）式代入上式，化简为（8）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，与存在如下关系：（9）式中：—调制度把式（9）代入（8），经化简得（10）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

6、表示。根据期望的功率因数角，可得对应的交流电流的无功分量期望值。若期望的功率因数为1，则为零。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、两个电流环。电流调节器的输出电压为期望的调制电压。为了提高电流的响应速度，设置了前馈控制环节，即由调节器的输出电压和、构成。由调节器的输出电压和构成。在旋转坐标中，根据期望的调制电压在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、。变换矩阵为：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，得在a、b、c三轴上的分量。图中将检测到的三相交流电流、电压经过

7、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：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：仿真参数如下：电源交流侧相电压有效值40V；电感5mH；直流侧电容2350μF；负载电阻25Ω；直流电压期望值200V；整流器开关频率6KHZ。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