IGBT整流器功率因數(shù)控制方法及CT損壞對整流器的影響

1 引言

　　日立igbt整流器是一種電壓型pwm整流器，具有能量雙向流動、恒定直流電壓控制，以及高功率因數(shù)控制（cosφ≈1.0）等特點。使用該類型整流器除了實現(xiàn)高功率因數(shù)節(jié)省電能外，還能夠減少電網(wǎng)諧波，省去電網(wǎng)側(cè)無功補償svc裝置。

2 高功率因數(shù)的控制方法

　　2.1 pwm整流器的組成及工作原理

　　pwm整流器主回路一般采用二電平pwm整流電路或三電平pwm整流電路，主回路元件采用igbt元件，pwm整流器的工作原理與pwm逆變器的工作原理一樣，按照正弦參考波和三角載波進行比較的方法對igbt元件進行pwm控制，在整流器交流輸入端產(chǎn)生pwm電壓vc，其基波的頻率與正弦參考波一致，幅值與正弦參考波成比例。

　　改變整流器輸出電壓vc的基波幅值和相位，就可以使is和vs同相位、反相位、is比vs超前90°、以及is比vs超前/滯后某一所需要的角度。因此，整流器在理論上可以有4種運行方式：整流運行、逆變運行，純靜態(tài)無功補償運行以及is超前/滯后任意角度運行。

　　在實際應(yīng)用中，整流器主要工作在整流運行狀態(tài)和逆變運行狀態(tài)。

　　電壓型pwm整流器控制方框圖組成如圖1所示。

　　圖1 電壓型pwm整流器控制方框圖

　　這是一種采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)。

　　電壓外環(huán)（avr）起控制和穩(wěn)定整流器輸出直流電壓的作用，在負(fù)載或電網(wǎng)波動時，通過反饋電壓和指令電壓比較控制，保證輸出直流電壓與指令一致。avr一般采用比例積分pi環(huán)節(jié)。avr的輸出作為整流器電流內(nèi)環(huán)的有功電流的給定（iq*）。

　　電流內(nèi)環(huán)（acr）有兩個直流電流調(diào)節(jié)環(huán)，一個用于q軸有功電流分量的控制，一個用于d軸無功電流分量的控制。前者的電流給定iq*是電壓控制avr的輸出，后者的電流給定id*是0（因為控制目標(biāo)為cosφ≈1.0）。三相實際電流ir、is、it經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換后得到的有功電流iq和無功電流id作為相應(yīng)的電流反饋。而兩個直流電流調(diào)節(jié)環(huán)的輸出vq*、vd*用于pwm控制。

　　負(fù)荷補償功能主要是考慮逆變器負(fù)荷變化時，為了保持電容器上直流電壓vdc的穩(wěn)定，應(yīng)根據(jù)逆變器負(fù)荷變化情況對整流器iq分量進行相應(yīng)地補償。

　　2.2 功率因數(shù)為1.0的控制方法

　　所謂高功率因數(shù)控制，就是將功率因數(shù)控制到1.0。

　　鑒于整流器和逆變器相互之間是分別獨立運行的，它們是分別獨立可控的，能對整流器的功率因數(shù)進行獨立控制，而不受馬達負(fù)荷及運轉(zhuǎn)速度的影響，如圖2所示。

　　圖2 主回路電能轉(zhuǎn)換圖

　　功率因數(shù)控制到1.0實際上就是設(shè)法使電源電流is與電壓vs同相位。因此，只要讓調(diào)制正弦參考波落后電網(wǎng)電壓vs一個角度，整流器網(wǎng)側(cè)輸出的pwm電壓vcp的基波分量vc落后于vs，使電流is與電壓vs同相，整流器工作在整流狀態(tài)，而且功率因數(shù)控制在1.0，如圖3所示。

　　圖3 電源電壓、電流相位關(guān)系波形

　　那么vc如何來引導(dǎo)is的相位呢？

　　首先，從圖2可知道整流器輸入端電壓關(guān)系：vs＝vc＋vl 。

　　忽略變壓器電阻r不計，則電感電壓為vl＝j(luò)ωlis，所以vl與is相位是固定的，始終相差90°。在電網(wǎng)電壓vs一定的情況下，is的幅值和相位僅由矢量vc的幅值及其與vs的相位差來決定，因此只要改變矢量vc就可以相應(yīng)改變is，使is與vs同相位，實現(xiàn)功率因數(shù)控制到1.0的目的。

　　那么改變vc到什么程度才能實現(xiàn)is與vs同相位呢？

　　我們可以畫出有關(guān)電壓和電流的矢量圖，如圖4。

　　圖4 高功率因數(shù)控制矢量圖

　　根據(jù)圖4可以知道，要把整流器的功率因數(shù)控制在1.0的話，只要把無功電流設(shè)定值設(shè)為0（id﹡＝0），通過整流器控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)改變輸出電壓vc的大小和相位，使實際無功電流分量id＝0，那么is＝iq+id＝iq，is就能與vs保持在同相位，功率因數(shù)控制到了1.0。

　　當(dāng)電動機減速制動時，從逆變器返回再生能量使直流電壓升高，此時整流器處于再生逆變狀態(tài)，把再生能量回饋到電網(wǎng)，保持直流電壓穩(wěn)定。

　　我們希望整流器不論是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)其功率因素都等于1.0，因此整流器工作在逆變狀態(tài)時，只要做到is與vs的相位是反相的，功率因數(shù)同樣可控制在1.0，這時能量是往電網(wǎng)方向流動的。如圖5和圖6所示。

　　圖5 整流器逆變工作狀態(tài)時電壓、電流相位關(guān)系波形

　　圖6 整流器逆變狀態(tài)下高功率因數(shù)控制矢量圖

3 ct異常對整流器的影響

　　整流器中電流檢測元件采用的是nnc系列有源電流互感器（簡稱ct），整流器中使用ct情況如圖7所示。

　　圖7 整流器中使用ct

　　ct的好壞直接影響到整流器實際電流的檢測，也直接關(guān)系整流器控制的好壞。ct的異常一般表現(xiàn)為兩種情況，一種是ct損壞檢測不到電流（即電流檢測為0），另一種是ct檢測產(chǎn)生衰減（即電流檢測偏小），通常第一種情況發(fā)生的概率較大。但不管是哪種情況，都會引起整流器工作不正常。

　　整流器正常工作時，r、s、t三相電流是互相對稱的，即三相幅值一樣，相位將互差120°，而且任何時刻要保持三相電流之和為0，即ir+is+it=0，日立稱之為電流平衡控制。當(dāng)系統(tǒng)中某處有漏電產(chǎn)生時，ir+is+it≠0，起到監(jiān)控報警作用。

　　如果ct損壞檢測不到電流（即電流檢測為0，例如r相電流ir＝0），由于電流給定是一直存在的，則因為相電流調(diào)節(jié)器的作用，r相電流會越來越大，直到過流跳電或dc過壓跳電（如果dc電壓先起作用的話）。

　　如果由于線路缺相，ct也檢測不到電流（例如r相電流ir＝0），則由于平衡控制會使另外兩相電流的相位差變?yōu)?80°，幅值相等（當(dāng)然為補償“缺相”的那相電流，另兩相電流將增大），以滿足矢量和為零的控制要求，如圖8所示。此時，根據(jù)r、s、t相實際電流計算出的有功分量電流iq和無功分量電流id已經(jīng)不是正常直流量，而是含有2倍頻（相電流頻率）成份的交流量，參見圖8，整流器無法正常工作。

　　圖8 整流器r相缺相時的電流波形

　　如果ct檢測有衰減，則由于相電流調(diào)節(jié)器的作用，r相實際電流會偏大，但此時整流器里的控制和顯示的r相電流值還是與給定值一致的，整流器控制系統(tǒng)本身并不能判斷出該ct有問題。例如在ct正常時，整流器r相實際電流為1000a時，ct檢測輸出10v，而當(dāng)ct有衰減時，同樣1000a的電流ct輸出只有9.5v，由于電流調(diào)節(jié)器的作用，最終結(jié)果要把電流調(diào)節(jié)到“10v”，對應(yīng)的實際電流為10v/9.5v×1000a=1053a。但ct和控制系統(tǒng)仍然認(rèn)為整流器r相實際電流為1000a。

　　小電流測量的ct有異常時，可以通過測試來判斷。但對于大電流ct（例如5000a），由于沒有專用的設(shè)備，現(xiàn)場一般很難判斷其好壞，這方面問題有待于我們研究和解決。

4 結(jié)束語

　　igbt高功率因數(shù)整流器在現(xiàn)場已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，效果良好，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，操作維護方便。由于igbt高功率因數(shù)整流器的應(yīng)用，保證了電網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)接近于1.0，有效降低了諧波對電網(wǎng)的影響。