一種大容量IGBT整流器控制技術(shù)

1、 一種大容量整流器控制技術(shù)引言隨著現(xiàn)代微電子、功率元件、計(jì)算機(jī)的發(fā)展，整流器結(jié)構(gòu)及其控制技術(shù)也得到了迅猛的進(jìn)步。從二極管整流、可控硅整流，再到大容量整流器，各種整流器都得到實(shí)際的應(yīng)用。針對(duì)不同的技術(shù)需求，選擇不同的整流結(jié)構(gòu)，同時(shí)采納了各種先進(jìn)的控制技術(shù)。因此基于功率元件的通流能力和耐壓水平，選擇某種結(jié)構(gòu)的整流器在傳動(dòng)系統(tǒng)中至關(guān)重要;而其軟件控制技術(shù)也保障了傳動(dòng)設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安全運(yùn)行。大容量整流器在大型冷軋廠的應(yīng)用某冷軋廠主軋機(jī)五機(jī)架，主馬達(dá)功率最大為0包括卷曲機(jī)在內(nèi)，總共采用了6套大容量傳動(dòng)系統(tǒng)。在大容量傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用日立矢量變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，其中整流器和逆變器功率元件均采用三菱規(guī)格的。每臺(tái)整流

2、器采用獨(dú)立直流母線(xiàn)給逆變器供電，而中容量和小容量傳動(dòng)系統(tǒng)則采用公共直流母線(xiàn)。在整流器中采用控制方式以及功率元件，一方面其高功率因數(shù)節(jié)省電能的同時(shí)，另一方面能夠減少諧波，因此省去部分裝置。這套變頻裝置具有輸出電壓諧波小，功率因數(shù)高，調(diào)速精度高，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)由于全數(shù)字控制方式，整套系統(tǒng)在工藝調(diào)整、日常維護(hù)等方面簡(jiǎn)潔方便并能準(zhǔn)確查找故障。整流器控制原理整流器一方面用來(lái)將電網(wǎng)電壓整流成直流電壓送往逆變器同時(shí)也可以將反向制動(dòng)產(chǎn)生的能量通過(guò)逆變成網(wǎng)側(cè)頻率電壓送往電網(wǎng)。在模塊中，與元件還并聯(lián)一個(gè)二極管。此二極管在逆變器中常作續(xù)流二極管，將馬達(dá)反向制動(dòng)過(guò)程的機(jī)械能量反饋回逆變輸入側(cè)。而在整流

3、器中，整流過(guò)程主要是依靠二極管進(jìn)行全波整流，并不是依靠進(jìn)行整流，也不進(jìn)行調(diào)壓，調(diào)頻調(diào)壓主要由逆變器實(shí)現(xiàn)元件的功能主要體現(xiàn)在提高功率因數(shù)為1同時(shí)將系統(tǒng)回饋能量逆變成工頻電壓反饋回電網(wǎng),如圖1所示。圖大容量整流器主回路日立變頻器三電平控制技術(shù)整流器采用三電平系統(tǒng)整流電路，它將輸出直流電壓為通過(guò)鉗位二極管分為、和三電平。采用三電平系統(tǒng)，可以有效的降低每個(gè)承受的壓降，從而提高整流器容量。在三電平控制系統(tǒng)中，門(mén)極指令邏輯見(jiàn)表1。圖2為整流器的控制信號(hào)和波形示意圖。通過(guò)雙極性載波信號(hào)與一同步交流電壓比較，輸出門(mén)極控制脈寬調(diào)制信號(hào)，按照表的指令邏輯，來(lái)控制的導(dǎo)通表控制指令邏輯圖控制指令及波形五機(jī)架中大馬達(dá)額

4、定電壓達(dá)，額定電流可達(dá)。這么高的電壓和大電流，如果采用高頻載波頻率，發(fā)熱量也較高，對(duì)裝置的損傷就較大。為了減少的發(fā)熱量以延長(zhǎng)使用壽命，為此載波頻率采用相對(duì)較低至600。但是這種控制方式帶來(lái)的結(jié)果可能會(huì)使輸出的電壓波形失真較高，影響控制精度等問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題，采用預(yù)見(jiàn)性控制技術(shù)，即先預(yù)測(cè)采用頻率的載波頻率會(huì)給輸出波帶來(lái)多少誤差，然后通過(guò)控制回路輸出的波形對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，使輸出的電壓波形更接近正弦波。輸出電壓控制結(jié)構(gòu)圖3整流器數(shù)字控制系統(tǒng)框架圖圖3為整流器數(shù)字控制系統(tǒng)框架圖，其所含基本結(jié)構(gòu)如下:自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器控制可以在負(fù)載或電網(wǎng)波動(dòng)時(shí)，通過(guò)反饋電壓和和指令電壓進(jìn)行比較控制，保證輸出直流電壓與指令

5、一致。采用比例積分環(huán)節(jié)，的輸出作為整流器矢量控制中有功電流的給定。(2)負(fù)荷補(bǔ)償整流裝置采用負(fù)荷補(bǔ)償環(huán)節(jié)，當(dāng)負(fù)荷變化引起直流電壓波動(dòng)時(shí)，該環(huán)節(jié)通過(guò)反饋到輸入環(huán)節(jié)可以減小該波動(dòng)。負(fù)荷補(bǔ)償計(jì)算逆變器側(cè)功率的消耗變換，將功率波動(dòng)計(jì)算結(jié)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。同步電源與同步電源通過(guò)將網(wǎng)側(cè)電源變壓后得到;同步電源與高頻載波信號(hào)通過(guò)比較結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。由于該系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，在的產(chǎn)生過(guò)程中，考慮到高功率因數(shù)的控制，采用了矢量控制技術(shù)，將網(wǎng)側(cè)無(wú)功控制為0諧波控制技術(shù)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(duì)于制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)的波形中也一樣存

6、在。產(chǎn)生諧波的主要原因是(在工程應(yīng)用中，對(duì)波形的生成往往采用規(guī)則采樣法或者專(zhuān)用集成電路器件，并不能保證脈寬調(diào)制序列波的波形面積與各段正弦波面積相等在實(shí)現(xiàn)控制時(shí)，為了防止逆變器同一橋臂上、下兩器件的同時(shí)導(dǎo)通而導(dǎo)致直流側(cè)短路，設(shè)置了一個(gè)導(dǎo)通時(shí)滯環(huán)節(jié)，這些因素不可避免的造成輸出波形有所失真2。3對(duì)波形作傅氏級(jí)數(shù)分析，可求得其次諧波相電壓幅值的表達(dá)式為其中一變頻器直流電壓a以相位角表示的第個(gè)脈沖起始終了時(shí)刻同步電壓半個(gè)周期內(nèi)脈沖波的個(gè)數(shù)。從上述公式可以看出，整流器所帶來(lái)高次諧波的數(shù)量與載波的相位有很大關(guān)系。對(duì)于同一電網(wǎng)下多組大容量整流器運(yùn)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(shè)

7、兩組整流器運(yùn)行在同一電網(wǎng)下，圖4為載波相位關(guān)系。圖中兩個(gè)整流器單元載波相位相同，所以?xún)烧髌鳟a(chǎn)生的諧波也同相，因此體現(xiàn)在該系統(tǒng)電網(wǎng)上的諧波為它們之和圖中兩整流器載波相位相差假設(shè)一個(gè)載波周期對(duì)應(yīng)，那么兩個(gè)整流器系統(tǒng)產(chǎn)生的某次諧波相位也將相差，幅值相反，則產(chǎn)生在電網(wǎng)上的合成諧波幅值則接近。因此，對(duì)于次諧波來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)設(shè)置同一電網(wǎng)下不同整流器載波相位差6并配合，來(lái)減少系統(tǒng)所產(chǎn)生的諧波。，其中為整流器單元個(gè)數(shù)。圖4載波相位與諧波的關(guān)系原理圖圖5現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整載波相位前后電壓波形圖圖中所示的兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波形圖，圖為整流器控制中未調(diào)整載波相位配合時(shí)諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)的影響圖為將酸軋、連退和鍍鋅三條機(jī)組的整流器的載波相

8、位調(diào)整配合后網(wǎng)側(cè)輸入點(diǎn)電壓波形。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)整流器數(shù)量較多且復(fù)雜，每個(gè)整流器組具體調(diào)整的相位差由日方進(jìn)行仿真得出?？梢钥闯觯{(diào)整載波相位配合后，諧波對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓的影響明顯減小。高功率因數(shù)控制技術(shù)功率因數(shù)控制在變頻器控制中是一個(gè)重要課題，對(duì)于電機(jī)節(jié)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(shù)也不盡相同。見(jiàn)表。表2不同整流器的功率因數(shù)及特點(diǎn)23功率可以雙向傳遞具有再生能力對(duì)于功率因數(shù)高的要求，便選擇了整流電路，其中功率元件采用了功率元件。通過(guò)基于的控制系統(tǒng)可以很好的將功率因數(shù)控制為1，將能量從網(wǎng)側(cè)幾乎全部傳遞到馬達(dá)，同時(shí)將在反向制動(dòng)時(shí)將能量反饋回電網(wǎng)。在這個(gè)功率因數(shù)控制中，采用矢量控制技術(shù)。其中電流調(diào)節(jié)器檢出電源側(cè)電流，通過(guò)到變換，將它分解為與電源電壓同相的有功分量和與電源電壓正交的無(wú)功分量。而將給定設(shè)定為0并控制參數(shù)使兩個(gè)反饋值與給定值和一致。由此，可以使輸入電壓與電流同相，也就是功率因數(shù)為1。另外，將自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器和負(fù)荷補(bǔ)償環(huán)節(jié)的輸出作為有功電流給定來(lái)控制整流器輸出。圖為功率因數(shù)控制過(guò)程中整流器矢量圖，圖為非高功率因數(shù)參數(shù)矢量圖，可見(jiàn)和相位不一致，所以輸入功率因數(shù)小于圖為對(duì)整流器矢量控制后的矢量圖，和被控制到同一相位，使輸入功率因數(shù)為1圖6整流器向量圖4結(jié)束語(yǔ)