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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

發(fā)布時(shí)間:2012-02-29

中心議題:

  • 高功率因數(shù)的控制方法
  • CT異常對(duì)整流器的影響

解決方案:

  • is與vs的相位是反相


1 引言

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(cosφ≈1.0)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(wú)功補(bǔ)償svc裝置。本文介紹IGBT整流器功率因數(shù)控制的方法及CT損壞對(duì)整流器的影響。

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(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(wú)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。


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(guò)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(wú)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cosφ≈1.0)。三相實(shí)際電流ir、is、it經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換后得到的有功電流iq和無(wú)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。
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負(fù)荷補(bǔ)償功能主要是考慮逆變器負(fù)荷變化時(shí),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(duì)整流器iq分量進(jìn)行相應(yīng)地補(bǔ)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(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。


那么vc如何來(lái)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=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(lái)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(huà)出有關(guān)電壓和電流的矢量圖,如圖4。

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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(wú)功電流設(shè)定值設(shè)為0(id﹡=0),通過(guò)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(wú)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。


3 CT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。


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(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≠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(lái)越大,直到過(guò)流跳電或dc過(guò)壓跳電(如果dc電壓先起作用的話)。
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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)?80°,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(wú)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(jiàn)圖8,整流器無(wú)法正常工作。


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(wèn)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/9.5v×1000a=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(guò)測(cè)試來(lái)判斷。但對(duì)于大電流CT(例如5000a),由于沒(méi)有專用的設(shè)備,現(xiàn)場(chǎng)一般很難判斷其好壞,這方面問(wèn)題有待于我們研究和解決。

4 結(jié)束語(yǔ)

IGBT高功率因數(shù)整流器在現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,效果良好,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,操作維護(hù)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(duì)電網(wǎng)的影響。

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