多脉冲AC-DC变换器的电能质量建模、仿真和数字实现

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报1（2014）255多脉冲AC-DC变换器改善直流传动系统电能质量的建模、仿真及其数字实现Mohd Tariqa，2011，1， Md.陶基尔·伊克巴尔ba印度博帕尔Maulana Azad国家技术学院电气工程系b印度加尔各答Damodar Valley Corporation2014年12月19日在线发布摘要介绍了利用多脉冲众所周知，电能质量决定了电能对消费设备的适应性，因此，在这项工作中，人们一直在努力提高电能质量在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真和数字实现，并对所得到的结果进行了详细的讨论，将多脉波变换器与直流驱动器连接，并在空载条件下运行，以了解其瞬态和稳态性能。FFT分析已经执行，并在不同的脉冲获得的总谐波失真（THD）的结果显示在这里。© 2015电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.关键词：多脉冲变换器;直流电机;直流传动; AC/DC变换器;总谐波失真; MATLAB/Simulink1. 介绍如今，固态转换器在各种应用中的使用，诸如直流驱动器、变频驱动器（VFD）、加热和照明行业、船舶（运输）行业、电动汽车等。 已经大大增长（Bose，1992）。 通常在转换器电路中使用的半导体开关器件产生显著的谐波电压/电流。二极管桥式整流器被认为是电力系统谐波的主要贡献者，其后果从电气部件过热（如绕组发热导致机器故障/击穿）到通信线路中的通信干扰不等（Wakileh，2001）。直流电机驱动器用于许多行业，以便将电能转换为机械能。 选择直流电机而不是交流电机的主要原因之一是其速度控制简单（Dubey，2002）。电力供应的可靠性和质量与一个国家的经济发展密切相关。电力系统的主要任务是向用户/工业负载提供适当正弦波电压的电力*通讯作者。联系电话：+91 9045635995。电子邮件地址：tariq. gmail.com（M. 塔里克）。1现就读于新加坡南洋理工大学电气和电子工程学院。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2014.12.0072314-7172/© 2015电子研究所（ERI）。制作和主办：Elsevier B.V.All rights reserved.256M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255根据IEEE 519-1992标准（THD应小于5%）（IEEE，1993），具有固定频率（印度为50 Hz，美国为60 Hz）和尽可能最小化THD的幅度。典型的电力系统包含许多非线性负载，如电弧炉、电力电子变换器等，这些负载引入电流和电压谐波。针对上述问题，本文对采用多脉冲变换器的开关变换器的谐波抑制问题在文献中，发现了几篇关于降低电力系统THD的论文，这些论文将在下面的第2节中详细介绍，但文献中缺少全面的方法，因此在此努力介绍本文对多脉冲AC-DC变换器用于直流传动改善电能质量的建模、仿真和数字实现进行了分段研究。第2节详细介绍了文献中关于降低THD的可用第三部分介绍了12脉波不控和受控变换器、24脉波受控变换器的建模第4节介绍了数字实现，THD的结果和讨论。第五节是本文的结论。2. 文献综述在文献中，研究的重点是消除开关变换器中的谐波有很多方法，研究人员根据需要和适用性使用这些方法文中讨论了其中的一些方法及其在所有PWM方法中，基于选择性谐波消除（SHE）PWM的方法可以应用于最高质量的输出，因为SHE提供了以下几个优点：低开关频率与基频的比率、对输出波形谐波的直接控制、以及使三次谐波不受控制以利用三相系统中的电路拓扑的能力（Sahali和Fellah，2003）。多电平AC/DC、DC/AC转换器用于确定开关角，使得转换器产生所需的基波电压并且不产生特定的低阶主谐波。在文献中提出了一种统一的方法来求解所有各种开关方案的谐波消除方程（Wang等人，2005年）。存在各种方法来减轻电压骤降和电压上升，但是使用定制功率设备被认为是最有效的方法，诸如用于传输系统的FACTS，其提高了功率传输能力和稳定裕度（Qiang Song等人， 2004年）。对多脉波变换器的建模进行了详细的讨论Fig. 1. MATLAB/Simulink中的不受控12脉冲模型M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255257图二.在MATLAB/Simulink中控制12脉冲模型。图三.在MATLAB/Simulink中控制24脉冲模型。258M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255见图4。 控制框图。图五、Vab（线电压）和THD = 22.31%，12脉冲不可控整流器。在文学中。可调速直流驱动器由整流器部分组成交流电源电压通过整流电路转换成直流电压，然后将直流电压馈送到可调速直流电动机。六二极管桥式整流器最广泛地用作AC到DC转换器。该二极管整流器具有非线性（即，非正弦）负载特性，导致谐波电流流入电源，从而导致线电压失真。一般来说，二极管桥与较高数量的脉冲一起使用，以减少AC电源中的谐波和DC输出中的纹波电压值。这些在6、12、18、24、30、36、48个脉冲等中显影，通过输入多脉冲自动/隔离变压器和使用相间电抗器的纹波电流注入的转换器（Singh等人，2008;Chivite-Zabalza和Forsyth，2007;Singh等人， 2007年）。M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255259见图6。直流电机速度响应，在88%额定转速下。图7.第一次会议。直流输入（直流电动机电枢端子）两端的电压，纹波= 195见图8。输出直流电流纹波（2.7260M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255图9.第九条。Vab（线电压）和THD = 8.82%，12脉冲可控整流器。图10个。直流电动机速度响应，100%额定转速，Ts = 2.5 s。3. 多脉冲变换器在MATLAB/Simulink中对12脉冲和24脉冲变换器进行了建模，并在图1和图2中示出。 1比3。对12脉波变换器采用了非控制和控制两种方法图给出了在MATLAB/Simulink中开发的1个无控12脉冲模型。从图中可以看出，它由两个并联的万向桥组成三相电源可以从功率流到具有三个绕组的三相Transformer的地方看到使用三个绕组的Transformer，以便在输入初级侧使用一个绕组，并且在次级侧使用另外两个绕组，这可以在每个通用桥配置中使用。通用电桥的输出是直流电源，被馈送到具有以下额定值的直流电动机功率= 5 HP = 3.73 kW电压= 240 V转速= 1750 rpmM. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255261图十一岁直流输入端（直流电动机电枢端子）电压，纹波= 175见图12。输出直流电流纹波（2.4励磁电流= 300 V电枢电阻=2.581▲电枢电感= 0.028▲励磁电阻= 281.3▲励磁电感=156▲磁场-电枢互感= 0.9483▲总惯性= 0.02215 kg m2粘性摩擦系数（Bm）= 0.002953 N m s摩擦扭矩系数（Tf）= 0.5161 N m4. 结果和讨论图1和图2所示的Simulink模型。 1 -3在MATLABSimulink环境中运行5s。所得到的结果在这里显示和讨论。262M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255表1不同多脉冲变换器的性能比较类型THD稳定时间（s）电压纹波（V）电流纹波（A）12脉冲不受控22.3141301.512脉冲控制8.822.5400.9024脉冲控制2.372300.55图13岁Vab（线电压）和THD = 2.37%，对于24脉冲可控整流器。图十四岁直流电机速度响应，100%额定转速，Ts = 2 s。该控制器由两个控制回路组成，即： 外部速度控制环和内部电流环如图所示。 四、对于外速度环，将设定的速度参考与直流电机的原始/实际速度的反馈进行比较。对于实时实现，可以将该速度转换为对应的电压。因此，对于实时应用，我们需要F到V转换器。由于机器的速度与电源电压的频率成正比，因此可以使用适当的F到V转换器进行正确的估计和转换如果速度转换为电压，M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255263图十五岁直流输入（直流电动机的电枢端子）两端的电压，纹波= 177图16.输出直流电流纹波（2.3必须给出电压基准通过比较设定速度和实际速度产生的误差然后通过PI控制器以产生参考电流。这将作为内部电流回路的参考，这是必要的，同时考虑到电机和开关的电流限制。该误差再次通过PI控制器以生成开关信号，该开关信号又生成用于IGBT开关的开关脉冲。图图5 -8示出了当使用12脉冲不受控整流器时的结果。 图 5表示输入交流电压（整流前的Vab线电压，THD = 22.31%）。通过FFT分析计算THD图图6示出了当被馈送有借助于12脉冲不受控整流器整流后获得的DC功率时DC电动机的速度响应。从图中可以看出，电机以88%额定转速（1500）运行这是不受控的操作，因此没有给出速度参考和控制参考。建立时间接近4 s。因此，对于一个不受控制的系统，建立时间非常长，速度只是上升到大约88%的额定速度，而不是100%。图图7和图8示出了直流侧的电压和电流纹波。电压纹波显示为130 V，这是一个非常大的量。电流纹波也是1.5 A，这也是一个非常大的数字。264M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255图17.不同多脉冲转换器性能比较的图形表示。因此，为了改善THD、速度响应、电压和电流中的输出纹波，相同的12脉冲转换器已经以闭环控制操作图 2、用晶闸管代替二极管电桥，用设定的1700转/分的参考转速与实际转速之间的误差来控制触发角。误差信号在通过逻辑信号之前通过PI控制器以产生用于晶闸管的开关脉冲。图图9-12示出了当使用12脉冲可控整流器时的结果。图9示出了输入AC电压（整流前的Vab线电压，THD= 8.82%）。这里，THD也是通过FFT分析来计算的图图10示出了当被馈送有借助于12脉冲可控整流器整流后获得的DC功率时DC电动机的速度响应。这里的参考速度是1700 rpm。从图中可以看出，电机现在可以以100%额定速度运行。它是受控操作，因此以100%额定速度运行建立时间接近2.5 s。因此，对于受控系统，稳定时间以及稳态误差也被减少。图图11和图12示出了在使用控制操作之后，DC侧上的电压和电流纹波已经显著降低。电压纹波显示为40V，与前一种情况下的130 V相比非常小。控制操作中的电流纹波示出为0.90 A，与不受控操作的1.5 A相比，该电流纹波再次非常小。图图13 -16示出了当使用24脉冲可控整流器时的结果。 图图13示出了输入AC电压（整流前的Vab线电压，THD = 2.37%）。这里，THD也是通过FFT分析来计算的图图14示出了当被馈送有借助于24脉冲受控整流器整流后获得的DC功率时DC电动机的速度响应。这里的参考速度是1700 rpm。从图中可以看出，这里电动机再次以100%额定速度运行。它是受控操作，因此以100%额定速度运行。建立时间接近2 s。因此，对于受控的24脉冲转换器系统，建立时间已经进一步减少。图图15和图16示出了在使用24个脉冲的控制操作之后，DC侧上的电压和电流纹波已经显著减小。电压纹波被示出为30 V，与先前情况中的40 V相比，其更小受控24脉冲转换器操作中的电流纹波示出为0.55A，其与受控12脉冲操作的0.9A相比再次更小。 表1已经在这里显示，从那里我们可以更好地理解本文中探索的不同多脉冲转换器的性能改进（图1）。 17）。5. 结论本文对多脉波变换器进行了性能比较。在MATLAB/Simulink中对12脉波不控、12脉波控制和24脉波控制AC/DC变换器进行了建模和仿真。M. 马里兰州塔里克Iqbal/电气系统和信息技术杂志1（2014）255265对所得结果进行了分析，证明了随着脉冲数的增加，THD减小，时间减少，输出电压和电流纹波也大大减少此外，还对不受控AC/DC变换器和受控AC/DC变换器进行了比较，发现控制操作具有更好的性能，即，更小的稳态误差和更小的稳定时间，尽管系统的稳定性降低。确认作者感谢印度博帕尔Maulana Azad国家技术学院电气工程系主任为完成这项工作提供了所有便利本工作是在MANIT电气工程系实验室完成的引用Bose，B.K.，1992年1月电力电子学的最新进展。 PowerElectronics，IEEE Transactions on，2-16。Chivite-Zabalza，F.J.，福赛斯，A.J.，2007年5月一种采用谐波电压和电流注入相结合的具有固有负载平衡的36脉冲A型C-DC转换器。PowerElectronics，IEEETtransactionson22（3），1027-1035。Dubey，G.K.，2002年5月 电气驱动基础。 CRC出版社。IEEE电力系统谐波控制的推荐做法和要求，1993年4月 9日，IEEE Std 5191-112 宋强，刘文华，袁志昌，魏文辉，陈远华，2004。基于STATCOM的级联H桥逆变器多脉冲优化PWM直流电压平衡技术。 电力电子专家会议，PESC 04。 IEEE第35届年会，卷。第6页。4768-4772Sahali，Y.，Fellah，M.K.，2003年6月。选择性谐波消除脉宽调制技术（SHEPWM）在三电平逆变器中的应用，工业电子。ISIE'03。IEEEInternationalSymposiumonIndustrialElectronics2，1112-1117.辛格湾，Gairola，S.，Chandra，A.，Kamal Al-Haddad，2007年6月基于曲折连接自耦变压器的可控C-DC变换器用于脉冲倍增。IEEE工业电子国际研讨会（ISIE），889 -894，4-7。辛格湾，Gairola，S.，Singh，B.N.，Chandra，A.，Al-Haddad，K.，一月2008.改善电能质量的多脉冲AC-DC变换器PowerElectronics，IEEETtransactionson23（1），260-281.Wakileh，G.J.，2001年 电力系统谐波，基础，分析和滤波器设计。斯普林格。王杰，黄，Y.，Peng，F.Z.，2005年一种实用的多电平逆变器谐波消除方法。在：工业应用会议。国际会计准则第四十届年会。2005年会议记录，第三卷，10月2日至6日，pp. 1665-1670年。