1 引言

隨著現代微電子功率元件計算機的發展整流器結構及其控制技術也得到了迅猛的進步從二極管整流可控硅整流再到大容量igbt整流器各種整流器都得到實際的應用針對不同的技術需求選擇不同的整流結構同時采納了各種先進的控制技術因此基于功率元件的通流能力和耐壓水平選擇某種結構的整流器在傳動系統中至關重要;而其軟件控制技術也保障了傳動設備在現場安全運行

2 大容量igbt整流器在大型冷軋廠的應用

某冷軋廠主軋機五機架主馬達功率最大為5750kw包括卷曲機在內總共采用了6套大容量傳動系統在大容量傳動系統中采用日立矢量變頻調速控制系統其中整流器和逆變器功率元件均采用三菱3.3kv/1.2ka規格的igbt每臺整流器采用獨立直流母線給逆變器供電而中容量和小容量傳動系統則采用公共直流母線

在整流器中采用pwm控制方式以及igbt功率元件一方面其高功率因數節省電能的同時另一方面能夠減少諧波因此省去部分svc裝置這套變頻裝置具有輸出電壓諧波小功率因數高調速精度高系統動態特性好等諸多優點同時由于全數字控制方式整套系統在工藝調整日常維護等方面簡潔方便并能準確查找故障

3 igbt整流器控制原理

igbt整流器一方面用來將電網電壓整流成直流電壓送往逆變器;同時也可以將反向制動產生的能量通過igbt逆變成網側頻率電壓送往電網在 igbt模塊中與igbt元件還并聯一個二極管此二極管在逆變器中常作續流二極管將馬達反向制動過程的機械能量反饋回逆變輸入側而在igbt整流器中整流過程主要是依靠二極管進行全波整流并不是依靠igbt進行整流也不進行調壓調頻調壓主要由逆變器實現;igbt元件的功能主要體現在提高功率因數為1同時將系統回饋能量逆變成工頻電壓反饋回電網,如圖1所示

圖1 大容量igbt整流器主回路

3.1日立變頻器三電平pwm控制技術

整流器采用三電平系統整流電路它將輸出直流電壓為edc通過鉗位二極管分為+edc/20和-edc/2三電平采用三電平系統可以有效的降低每個igbt承受的壓降從而提高整流器容量在三電平控制系統中門極指令邏輯見表1圖2為整流器的控制信號和波形示意圖通過雙極性載波信號與一同步交流電壓比較輸出門極控制脈寬調制信號按照表1的指令邏輯來控制igbt的導通[1]

表1 igbt控制指令邏輯

圖2 igbt控制指令及波形

五機架中大馬達額定電壓達1750v額定電流可達1553a這么高的電壓和大電流如果采用高頻載波頻率igbt發熱量也較高對 igbt裝置的損傷就較大為了減少igbt的發熱量以延長使用壽命為此載波頻率采用相對較低至600hz但是這種控制方式帶來的結果可能會使輸出的電壓波形失真較高影響控制精度等問題為解決這個問題采用預見性pwm控制技術即先預測采用600hz頻率的載波頻率會給輸出pwm波帶來多少誤差然后通過控制回路輸出的pwm波形對其進行補償使輸出的電壓波形更接近正弦波

3.2 輸出電壓控制結構

圖3 整流器數字控制系統框架圖

圖3為整流器數字控制系統框架圖其所含基本結構如下:

1 自動電壓調節器avr

avr控制可以在負載或電網波動時通過反饋電壓和和指令電壓進行比較控制保證輸出直流電壓與指令一致avr采用比例積分pi環節avr的輸出作為整流器矢量控制中有功電流的給定

2 負荷補償

整流裝置采用負荷補償環節當負荷變化引起直流電壓波動時該環節通過反饋到輸入環節可以減小該波動負荷補償計算逆變器側功率的消耗變換將功率波動計算結果作為整流器控制輸入的一部分改變有功電流的給定減少直流電壓的變化

3 同步電源與pwm

同步電源通過將網側電源變壓后得到;同步電源與高頻載波信號通過比較結構產生pwm由于該系統為數字系統在pwm的產生過程中考慮到高功率因數的控制采用了矢量控制技術將網側無功控制為0

3.3 諧波控制技術

pwm變頻器輸出波形以接近正弦為目的但是其輸出電壓中不可避免存在著諧波對于制動能量反饋回電網的波形中也一樣存在產生諧波的主要原因是:

1 在工程應用中對pwm波形的生成往往采用規則采樣法或者專用集成電路器件并不能保證脈寬調制序列波的波形面積與各段正弦波面積相等;

2 在實現控制時為了防止逆變器同一橋臂上下兩器件的同時導通而導致直流側短路設置了一個導通時滯環節這些因素不可避免的造成輸出波形有所失真[2][3]

對pwm波形作傅氏級數分析可求得其k次諧波相電壓幅值的表達式為:

其中:us變頻器直流電壓;

αi以相位角表示的第i個脈沖起始/終了時刻;

m同步電壓半個周期內pwm脈沖波的個數

從上述公式可以看出pwm整流器所帶來高次諧波的數量與載波的相位有很大關系對于同一電網下多組大容量整流器運行采用控制每組間載波相位差相配合可以很好的消除一些諧波假設兩組整流器運行在同一電網下圖4為載波相位關系圖a中兩個整流器單元載波相位相同所以兩整流器產生的諧波也同相因此體現在該系統電網上的諧波為它們之和;圖b中兩整流器載波相位相差180o假設一個載波周期對應360o那么兩個整流器系統產生的某次諧波相位也將相差180o幅值相反則產生在電網上的合成諧波幅值則接近0因此對于n次諧波來說可以通過設置同一電網下不同整流器載波相位差δφ并配合來減少系統所產生的諧波[1]其中m為整流器單元個數

圖4 載波相位與諧波的關系原理圖

圖5 現場調整載波相位前后電壓波形圖

圖5中所示的兩個現場測試波形圖圖a為整流器控制中未調整載波相位配合時諧波對網側的影響;圖b為將酸軋連退和鍍鋅三條機組的整流器的 pwm載波相位調整配合后網側輸入點電壓波形因為現場整流器數量較多且復雜每個整流器組具體調整的相位差由日方進行仿真得出可以看出調整載波相位配合后諧波對網側電壓的影響明顯減小

3.4 高功率因數控制技術

功率因數控制在變頻器控制中是一個重要課題對于電機節能有重要意義但是變頻器功率元件和控制方式的不同其整流電路的功率因數也不盡相同見表2

表2 不同整流器的功率因數及特點

③功率可以雙向傳遞,具有再生能力

對于功率因數高的要求便選擇pwm了整流電路其中功率元件采用了igbt功率元件通過基于igbt的控制系統可以很好的將功率因數控制為1將能量從網側幾乎全部傳遞到馬達同時將在反向制動時將能量反饋回電網

在這個功率因數控制中采用矢量控制技術其中電流調節器檢出電源側電流通過u,v,w到dfb,qfb變換將它分解為與電源電壓同相的有功分量iqf和與電源電壓正交的無功分量idfb而將給定id*設定為0并控制參數使兩個反饋值與給定值iq*和id*一致由此可以使輸入電壓與電流同相也就是功率因數為1另外將自動電壓調節器和負荷補償環節的輸出作為有功電流給定來控制整流器輸出圖6為功率因數控制過程中整流器矢量圖圖a為非高功率因數參數矢量圖可見vs和is相位不一致所以輸入功率因數小于1;圖b為對整流器矢量控制后的矢量圖vs和is被控制到同一相位使輸入功率因數為1

圖6 整流器向量圖

4 結束語

這套大容量高功率因數整流器在冷軋廠的成功應用保證了生產的穩定運行在試運行階段系統運行穩定操作維護方便簡潔在其控制系統中運用了大量的新技術低載波頻率和載波相位配合等技術的應用有效降低了諧波對電網的影響;同時矢量控制高功率因數技術保證了網側輸入功率因數達到1.0