一种大容量IGBT整流器控制技术

一、概述

随着现代微电子、功率元件、计算机的发展，整流器结构及其控制技术也得到了迅猛的进步。从二极管整流、可控硅整流，再到大容量IGBT整流器，各种整流器在都得到实际的应用。针对不同的技术需求，选择不同的整流结构，同时采纳了各种先进的控制技术。因此基于功率元件的通流能力和耐压水平，选择某种结构的整流器在传动系统中至关重要；而其软件控制技术也保障了传动设备在现场安全运行。

二、大容量IGBT整流器在大型冷轧厂的应用

1800冷轧厂主轧机五机架，主马达功率最大为5750KW。包括卷曲机在内，总共采用了6套大容量传动系统。在大容量传动系统中，采用日立矢量变频调速控制系统，其中整流器和逆变器功率元件均采用三菱3.3KV/1.2KA规格的IGBT。每台整流器采用独立直流母线给逆变器供电，而中容量和小容量传动系统则采用公共直流母线。

在整流器中采用PWM控制方式以及IGBT功率元件，一方面其高功率因数节省电能的同时，另一方面能够减少谐波，因此省去部分SVC装置。这套变频装置具有输出电压谐波小，功率因数高，调速精度高，系统动态特性好等诸多优点。同时由于全数字控制方式，整套系统在工艺调整、日常维护等方面简洁方便并能准确查找故障。

三、IGBT整流器控制原理

图一 大容量IGBT整流器主回路

IGBT整流器一方面用来将电网电压整流成直流电压送往逆变器；同时也可以将反向制动产生的能量通过IGBT逆变成网侧频率电压送往电网。在IGBT模块中，与IGBT元件还并联一个二极管。此二极管在逆变器中常作续流二极管，将马达反向制动过程的机械能量反馈回逆变输入侧。而在IGBT整流器中，整流过程主要是依靠二极管进行全波整流，并不是依靠IGBT进行整流，也不进行调压，调频调压主要由逆变器实现；IGBT元件的功能主要体现在提高功率因数为1，同时将系统回馈能量逆变成工频电压反馈回电网。

3.1日立变频器三电平pWM控制技术

整流器采用三电平系统整流电路，它将输出直流电压为Edc通过钳位二极管分为+Edc/2、0和-Edc/2三电平。采用三电平系统，可以有效的降低每个IGBT承受的压降，从而提高整流器容量。在三电平控制系统中，门极指令逻辑见表一。图二为整流器的控制信号和波形示意图。通过双极性载波信号与一同步交流电压比较，输出门极控制脉宽调制信号，按照表一的指令逻辑，来控制IGBT的导通。[1]

表一 IGBT控制指令逻辑

Vo（v） +Edc/2 0 -Edc/2

QP ON OFF OFF

QPC ON ON OFF

QNC OFF ON ON

QN OFF OFF ON  

图二  IGBT控制指令及波形

五机架中大马达额定电压达1750V，额定电流可达1553A。这么高的电压和大电流，如果采用高频载波频率，IGBT发热量也较高，对IGBT装置的损伤就较大。为了减少IGBT的发热量以延长使用寿命，为此载波频率采用相对较低至600HZ。但是这种控制方式带来的结果可能会使输出的电压波形失真较高，影响控制精度等问题。为解决这个问题，采用预见性PWM控制技术，即先预测采用600HZ频率的载波频率会给输出PWM波带来多少误差，然后通过控制回路输出的PWM波形对其进行补偿，使输出的电压波形更接近正弦波。[1]

3.2 输出电压控制结构[1]

图三为整流器数字控制系统框架图，其所含基本结构如下

a、  自动电压调节器（AVR）

AVR控制可以在负载或电网波动时，通过反馈电压和和指令电压比较控制，保证输出直流电压与指令一致。AVR采用比例积分PI环节，AVR的输出作为整流器矢量控制中有功电流的给定。

b、 负荷补偿

整流装置采用负荷补偿环节，当负荷变换引起直流电压波动时，该环节通过反馈到输入环节可以减小该波动。负荷补偿计算逆变器侧功率的消耗变换，将功率波动计算结果作为整流器控制输入的一部分，改变有功电流的给定，减少直流电压的变化。

c、 同步电源与PWM

同步电源通过将网侧电源变压后得到；同步电源与高频载波信号通过比较结构产生PWM。由于该系统为数字系统，在PWM的产生过程中，考虑到高功率因数的控制，采用了矢量控制技术，将网侧无功控制为0。

3.3谐波控制技术

PWM变频器输出波形以接近正弦为目的，但是其输出电压中不可避免存在着谐波。对于制动能量反馈回电网的波形中也一样存在。产生谐波的主要原因是：（1）在工程应用中，对PWM波形的生成往往采用规则采样法或者专用集成电路器件，并不能保证脉宽调制序列波的波形面积与各段正弦波面积相等；（2）在实现控制时，为了防止逆变器同一桥臂上、下两器件的同时导通而导致直流侧短路，设置了一个导通时滞环节，这些因素不可避免的造成输出波形的有所失真。[2] [3]

图三  整流器控制流程图

对PWM波形作傅氏级数分析，可求得其k次谐波相电压幅值的表达式为

n次谐波相电压

其中Us——变频器直流电压

αi——以相位角表示的第I个脉冲起始/终了时刻

m——同步电压半个周期内PWM脉冲波的个数

从上述公式可以看出， PWM整流器所带来高次谐波的数量与载波的相位有很大关系。对于同一电网下多组大容量整流器运行，采用控制每组间载波相位差相配合，可以很好的消除一些谐波。假设两组整流器运行在同一电网下，图四为载波相位关系。其中上图中两个整流器单元载波相位相同，所以两整流器产生的谐波也同相，因此体现在该系统电网上的谐波为它们之和；下图中两整流器载波相位相差180度（假设一个载波周期对应360度），那么两个整流器系统产生的某次谐波相位也将相差180度，幅值相反，则产生在电网上的合成谐波幅值则接近0。因此，对于n次谐波来说，可以通过设置同一电网下不同整流器载波相位差ΔΦ并配合，来减少系统所产生的谐波。[1]

，其中m为整流器单元个数。

载波相位与谐波的关系原理图

图四 载波相位与谐波的关系原理图

图五中所示的两个现场测试波形图，图a为整流器控制中未调整载波相位配合时谐波对网侧的影响；图b为将酸轧、连退和镀锌三条机组的整流器的PWM载波相位调整配合后网侧输入点电压波形。因为现场整流器数量较多且复杂，每个整流器组具体调整的相位差由日方进行仿真得出。可以看出，调整载波相位配合后，谐波对网侧电压的影响明显减小。

（a）调整前（b）调整后

图五调整载波相位前后电压波形图

3.4高功率因数控制技术

功率因数控制在变频器控制中是一个重要课题，对于电机节能高效的运行有重要意义。但是变频器功率元件和控制方式的不同，其整流电路的功率因数也不