IGBT整流器功率因数控制方法及CT损坏对整流器的影响

1 引言
   　　日立igbt整流器是一种电压型pwm整流器，具有能量双向流动、恒定直流电压控制，以及高功率因数控制（cosφ≈1.0）等特点。使用该类型整流器除了实现高功率因数节省电能外，还能够减少电网谐波，省去电网侧无功补偿svc装置。
   2 高功率因数的控制方法
   　　2.1 pwm整流器的组成及工作原理
   　　pwm整流器主回路一般采用二电平pwm整流电路或三电平pwm整流电路，主回路元件采用igbt元件，pwm整流器的工作原理与pwm逆变器的工作原理一样，按照正弦参考波和三角载波进行比较的方法对igbt元件进行pwm控制，在整流器交流输入端产生pwm电压vc，其基波的频率与正弦参考波一致，幅值与正弦参考波成比例。
   　　改变整流器输出电压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/滞后某一所需要的角度。因此，整流器在理论上可以有4种运行方式：整流运行、逆变运行，纯静态无功补偿运行以及is超前/滞后任意角度运行。
   　　在实际应用中，整流器主要工作在整流运行状态和逆变运行状态。
   　　电压型pwm整流器控制方框图组成如图1所示。
   
   　　这是一种采用电压外环、电流内环结构的控制系统。
   　　电压外环（AVR）起控制和稳定整流器输出直流电压的作用，在负载或电网波动时，通过反馈电压和指令电压比较控制，保证输出直流电压与指令一致。avr一般采用比例积分pi环节。avr的输出作为整流器电流内环的有功电流的给定（iq*）。
   　　电流内环（acr）有两个直流电流调节环，一个用于q轴有功电流分量的控制，一个用于d轴无功电流分量的控制。前者的电流给定iq*是电压控制avr的输出，后者的电流给定id*是0（因为控制目标为cosφ≈1.0）。三相实际电流ir、is、it经过3/2坐标变换和旋转变换后得到的有功电流iq和无功电流id作为相应的电流反馈。而两个直流电流调节环的输出vq*、vd*用于pwm控制。
   　　负荷补偿功能主要是考虑逆变器负荷变化时，为了保持电容器上直流电压vdc的稳定，应根据逆变器负荷变化情况对整流器iq分量进行相应地补偿。
   
   1 引言
   　　日立igbt整流器是一种电压型pwm整流器，具有能量双向流动、恒定直流电压控制，以及高功率因数控制（cosφ≈1.0）等特点。使用该类型整流器除了实现高功率因数节省电能外，还能够减少电网谐波，省去电网侧无功补偿svc装置。
   2 高功率因数的控制方法
   　　2.1 pwm整流器的组成及工作原理
   　　pwm整流器主回路一般采用二电平pwm整流电路或三电平pwm整流电路，主回路元件采用igbt元件，pwm整流器的工作原理与pwm逆变器的工作原理一样，按照正弦参考波和三角载波进行比较的方法对igbt元件进行pwm控制，在整流器交流输入端产生pwm电压vc，其基波的频率与正弦参考波一致，幅值与正弦参考波成比例。
   　　改变整流器输出电压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/滞后某一所需要的角度。因此，整流器在理论上可以有4种运行方式：整流运行、逆变运行，纯静态无功补偿运行以及is超前/滞后任意角度运行。
   　　在实际应用中，整流器主要工作在整流运行状态和逆变运行状态。
   　　电压型pwm整流器控制方框图组成如图1所示。
   
   　　这是一种采用电压外环、电流内环结构的控制系统。
   　　电压外环（avr）起控制和稳定整流器输出直流电压的作用，在负载或电网波动时，通过反馈电压和指令电压比较控制，保证输出直流电压与指令一致。avr一般采用比例积分pi环节。avr的输出作为整流器电流内环的有功电流的给定（iq*）。
   　　电流内环（acr）有两个直流电流调节环，一个用于q轴有功电流分量的控制，一个用于d轴无功电流分量的控制。前者的电流给定iq*是电压控制avr的输出，后者的电流给定id*是0（因为控制目标为cosφ≈1.0）。三相实际电流ir、is、it经过3/2坐标变换和旋转变换后得到的有功电流iq和无功电流id作为相应的电流反馈。而两个直流电流调节环的输出vq*、vd*用于pwm控制。
   　　负荷补偿功能主要是考虑逆变器负荷变化时，为了保持电容器上直流电压vdc的稳定，应根据逆变器负荷变化情况对整流器iq分量进行相应地补偿。
   
   　　2.2 功率因数为1.0的控制方法
   　　所谓高功率因数控制，就是将功率因数控制到1.0。
   　　鉴于整流器和逆变器相互之间是分别独立运行的，它们是分别独立可控的，能对整流器的功率因数进行独立控制，而不受马达负荷及运转速度的影响，如图2所示。
   
   　　功率因数控制到1.0实际上就是设法使电源电流is与电压vs同相位。因此，只要让调制正弦参考波落后电网电压vs一个角度，整流器网侧输出的pwm电压vcp的基波分量vc落后于vs，使电流is与电压vs同相，整流器工作在整流状态，而且功率因数控制在1.0，如图3所示。
   
   　　那么vc如何来引导is的相位呢？
   　　首先，从图2可知道整流器输入端电压关系：vs＝vc＋vl 。
   　　忽略变压器电阻r不计，则电感电压为vl＝jωlis，所以vl与is相位是固定的，始终相差90°。在电网电压vs一定的情况下，is的幅值和相位仅由矢量vc的幅值及其与vs的相位差来决定，因此只要改变矢量vc就可以相应改变is，使is与vs同相位，实现功率因数控制到1.0的目的。
   　　那么改变vc到什么程度才能实现is与vs同相位呢？
   　　我们可以画出有关电压和电流的矢量图，如图4。
   
   　　根据图4可以知道，要把整流器的功率因数控制在1.0的话，只要把无功电流设定值设为0（id﹡＝0），通过整流器控制系统调节改变输出电压vc的大小和相位，使实际无功电流分量id＝0，那么is＝iq+id＝iq，is就能与vs保持在同相位，功率因数控制到了1.0。
   　　当电动机减速制动时，从逆变器返回再生能量使直流电压升高，此时整流器处于再生逆变状态，把再生能量回馈到电网，保持直流电压稳定。
   　　我们希望整流器不论是工作在整流状态还是逆变状态其功率因素都等于1.0，因此整流器工作在逆变状态时，只要做到is与vs的相位是反相的，功率因数同样可控制在1.0，这时能量是往电网方向流动的。如图5和图6所示。
   
   
   3 ct异常对整流器的影响
   　　整流器中电流检测元件采用的是nnc系列有源电流互感器（简称ct），整流器中使用ct情况如图7所示。
   
   　　ct的好坏直接影响到整流器实际电流的检测，也直接关系整流器控制的好坏。ct的异常一般表现为两种情况，一种是ct损坏检测不到电流（即电流检测为0），另一种是ct检测产生衰减（即电流检测偏小），通常第一种情况发生的概率较大。但不管是哪种情况，都会引起整流器工作不正常。
   　　整流器正常工作时，r、s、t三相电流是互相对称的，即三相幅值一样，相位将互差120°，而且任何时刻要保持三相电流之和为0，即ir+is+it=0，日立称之为电流平衡控制。当系统中某处有漏电产生时，ir+is+it≠0，起到监控报警作用。
   　　如果ct损坏检测不到电流（即电流检测为0，例如r相电流ir＝0），由于电流给定是一直存在的，则因为相电流调节器的作用，r相电流会越来越大，直到过流跳电或dc过压跳电（如果dc电压先起作用的话）。
   　　如果由于线路缺相，ct也检测不到电流（例如r相电流ir＝0），则由于平衡控制会使另外两相电流的相位差变为180°，幅值相等（当然为补偿“缺相”的那相电流，另两相电流将增大），以满足矢量和为零的控制要求，如图8所示。此时，根据r、s、t相实际电流计算出的有功分量电流iq和无功分量电流id已经不是正常直流量，而是含有2倍频（相电流频率）成份的交流量，参见图8，整流器无法正常工作。
   
   　　如果ct检测有衰减，则由于相电流调节器的作用，r相实际电流会偏大，但此时整流器里的控制和显示的r相电流值还是与给定值一致的，整流器控制系统本身并不能判断出该ct有问题。例如在ct正常时，整流器r相实际电流为1000a时，ct检测输出10v，而当ct有衰减时，同样1000a的电流ct输出只有9.5v，由于电流调节器的作用，最终结果要把电流调节到“10v”，对应的实际电流为10v/9.5v×1000a=1053a。但ct和控制系统仍然认为整流器r相实际电流为1000a。
   　　小电流测量的ct有异常时，可以通过测试来判断。但对于大电流ct（例如5000a），由于没有专用的设备，现场一般很难判断其好坏，这方面问题有待于我们研究和解决。
   4 结束语
   　　igbt高功率因数整流器在现场已经得到了广泛应用，效果良好，系统运行稳定，操作维护方便。由于igbt高功率因数整流器的应用，保证了电网侧输入功率因数接近于1.0，有效降低了谐波对电网的影响。