IGBT整流器功率因數(shù)控制方法及CT損壞對(duì)整流器的影響

IGBT整流器功率因數(shù)控制方法及 CT損壞對(duì)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(dòng)、恒定直流電壓控制，以及高功率因數(shù)控制（cos1.0）等特點(diǎn)。使用該類型整流器除了實(shí)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(bǔ)償 svc裝置。2高功率因數(shù)的控制方法2.1pwm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(jìn)行比較的方法對(duì) igbt元件進(jìn)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(yùn)行方式：整流運(yùn)行、逆變運(yùn)行，純靜態(tài)無功補(bǔ)償運(yùn)行以及is超前/滯后任意角度運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，整流器主要工作在整流運(yùn)行狀態(tài)和逆變運(yùn)行狀態(tài)。電壓型pwm整流器控制方框圖組成如圖 1所示。電源IGBT整流器IGBT逆變ct不Vc衛(wèi)7KVc1de■C-—^dcPWM控制八V”Vq.八V”Vq.DC電壓控制電流控制坐標(biāo)變換負(fù)荷補(bǔ)償Ir、/IsAIt逆變器負(fù)荷電潦圖I電壓型P唄整毓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(dòng)時(shí)，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(gè)直流電流調(diào)節(jié)環(huán)，一個(gè)用于 q軸有功電流分量的控制，一個(gè)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?yàn)榭刂颇繕?biāo)為cos1.0）。三相實(shí)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(gè)直流電流調(diào)節(jié)環(huán)的輸出vq*、vd*用于pwm控制。vdc的vdc的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(dú)立運(yùn)行的，它們是分別獨(dú)立可控的，能對(duì)整流器的功率因數(shù)進(jìn)行獨(dú)立控制，而不受馬達(dá)負(fù)荷及運(yùn)轉(zhuǎn)速度的影響，如圖 2所示。功率因數(shù)控制到1.0實(shí)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(gè)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(jì)，則電感電壓為vl=j3lis,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(shí)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(shí)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。

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(shí)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(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)，從逆變器返回再生能量使直流電壓升高，此時(shí)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(shí)，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(shí)能量是往電網(wǎng)方向流動(dòng)的。如圖 5和圖6所示。VL功率因素d軸IIs（=Iq）功率因素習(xí)圖6整流器逆變狀態(tài)下高功率因數(shù)控制」矢量圖3ct異常對(duì)整流器的影響整流器中電流檢測(cè)元件采用的是 nnc系列有源電流互感器（簡(jiǎn)稱ct），整流器中使用ct情況如圖7所示。

RR相快熔 R相CT 整流器圖了整流器中便用氏Ct的好壞直接影響到整流器實(shí)際電流的檢測(cè)，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(cè)不到電流（即電流檢測(cè)為0），另一種是Ct檢測(cè)產(chǎn)生衰減（即電流檢測(cè)偏?。ǔ５谝环N情況發(fā)生的概率較大。但不管是哪種情況，都會(huì)引起整流器工作不正常。整流器正常工作時(shí)，r、s、t三相電流是互相對(duì)稱的，即三相幅值一樣，相位將互差120°，而且任何時(shí)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(shí)， ir+is+it工0,起到監(jiān)控報(bào)警作用。如果ct損壞檢測(cè)不到電流（即電流檢測(cè)為 0,例如r相電流ir=0），由于電流給定是一直存在的，則因?yàn)橄嚯娏髡{(diào)節(jié)器的作用，r相電流會(huì)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(cè)不到電流（例如r相電流ir=0），則由于平衡控制會(huì)使另外兩相電流的相位差變?yōu)?180°，幅值相等（當(dāng)然為補(bǔ)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(shí)，根據(jù)r、s、t相實(shí)際電流計(jì)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。R、S>T相給定電流R.S.T相實(shí)際電潦AA7\AAAZR、S>T相給定電流R.S.T相實(shí)際電潦AA7\AAAZ\f\f\/VV\f\r\vvVvAA/\AVVxAA/VV\/VVVx<vVAA-AAA,A.A」vvvxrvWVVVVvWvvXV\AAA>XAAAAAAA/yww（R相實(shí)際電流）（，相奧際電滾）（「相實(shí)際電瀛〉i*.I無功電濫緒癥值）L?無功電溢實(shí)醞佰）i%￡有功電址給走值'f褲功電盅冥際值｝圖8整流器工相缺相時(shí)的電流波形如果ct檢測(cè)有衰減，則由于相電流調(diào)節(jié)器的作用， r相實(shí)際電流會(huì)偏大，但此時(shí)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(shí)，整流器r相實(shí)際電流為1000a時(shí)，ct檢測(cè)輸出10v，而當(dāng)ct有衰減時(shí)，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(duì)應(yīng)的實(shí)際電流為10v/9.5vx1000a=1053a。但ct和控制系統(tǒng)仍然認(rèn)為整流器r相實(shí)際電流為1000a。小電流測(cè)量的ct有異常時(shí)，可以通過測(cè)試來判斷。但