IGBT整流器功率因數控制方法及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，以及高功率因數控制（cosφ≈1.0）等特點。使用該類型整流器除了實現高功率因數節省電能外，還能夠減少電網諧波，省去電網側無功補償svc裝置。

2 高功率因數的控制方法

　　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，純靜態無功補償運行以及is超前/滯后任意角度運行。

　　在實際應用中，整流器主要工作在整流運行狀態和逆變運行狀態。

　　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、電流內環結構的控制系統。

　　電壓外環（avr）起控制和穩定整流器輸出直流電壓的作用，在負載或電網波動時，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環節。avr的輸出作為整流器電流內環的有功電流的給定（iq*）。

　　電流內環（acr）有兩個直流電流調節環，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（因為控制目標為cosφ≈1.0）。三相實際電流ir、is、it經過3/2坐標變換和旋轉變換后得到的有功電流iq和無功電流id作為相應的電流反饋。而兩個直流電流調節環的輸出vq*、vd*用于pwm控制。

　　負荷補償功能主要是考慮逆變器負荷變化時，為了保持電容器上直流電壓vdc的穩定，應根據逆變器負荷變化情況對整流器iq分量進行相應地補償。

　　2.2 功率因數為1.0的控制方法

　　所謂高功率因數控制，就是將功率因數控制到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進行獨立控制，而不受馬達負荷及運轉速度的影響，如圖2所示。

　　圖2 主回路電能轉換圖

　　功率因數控制到1.0實際上就是設法使電源電流is與電壓vs同相位。因此，只要讓調制正弦參考波落后電網電壓vs一個角度，整流器網側輸出的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，而且功率因數控制在1.0，如圖3所示。

　　圖3 電源電壓、電流相位關系波形

　　那么vc如何來引導is的相位呢？

　　首先，從圖2可知道整流器輸入端電壓關系：vs＝vc＋vl 。

　　忽略變壓器電阻r不計，則電感電壓為vl＝jωlis，所以vl與is相位是固定的，始終相差90°。在電網電壓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就可以相應改變is，使is與vs同相位，實現功率因數控制到1.0的目的。

　　那么改變vc到什么程度才能實現is與vs同相位呢？

　　我們可以畫出有關電壓和電流的矢量圖，如圖4。

　　圖4 高功率因數控制矢量圖

　　根據圖4可以知道，要把整流器的功率因數控制在1.0的話，只要把無功電流設定值設為0（id﹡＝0），通過整流器控制系統調節改變輸出電壓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，功率因數控制到了1.0。

　　當電動機減速制動時，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，把再生能量回饋到電網，保持直流電壓穩定。

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

　　圖5 整流器逆變工作狀態時電壓、電流相位關系波形

　　圖6 整流器逆變狀態下高功率因數控制矢量圖

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，也直接關系整流器控制的好壞。ct的異常一般表現為兩種情況，一種是ct損壞檢測不到電流（即電流檢測為0），另一種是ct檢測產生衰減（即電流檢測偏小），通常第一種情況發生的概率較大。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。當系統中某處有漏電產生時，ir+is+it≠0，起到監控報警作用。

　　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，則因為相電流調節器的作用，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為180°，幅值相等（當然為補償“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，則由于相電流調節器的作用，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ct有衰減時，同樣1000a的電流ct輸出只有9.5v，由于電流調節器的作用，最終結果要把電流調節到“10v”，對應的實際電流為10v/9.5v×1000a=1053a。但ct和控制系統仍然認為整流器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），由于沒有專用的設備，現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 結束語

　　igbt高功率因數整流器在現場已經得到了廣泛應用，效果良好，系統運行穩定，操作維護方便。由于igbt高功率因數整流器的應用，保證了電網側輸入功率因數接近于1.0，有效降低了諧波對電網的影響。