一种大容量IGBT整流器控制技术

1、一种大容量IGBT整流器控制技术1引言随着现代微电子、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。2大容量igbt整流器在大型冷轧厂的应用某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

2、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。3 igbt整流器控制原理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

3、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，如图1所示。图1大容量igbt整流器主回路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

4、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1。图2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1的指令逻辑，来控制igbt的导通1 表1 igbt控制指令逻辑图2 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

5、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3整流器数字控制系统框架图图3为整流器数字控制系统框架图，其所含基本结构如下(1)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进行比较控制，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。(2) 负荷补偿整流装置采用负荷补偿环节，当负荷变化引起直流电压波动 时，该环节通过反馈

6、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。(3) 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

7、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有所失真23。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：其中:us 变频器直流电压；a i 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

8、行在同一电网下，图4为载波相位关系。图(a)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；图(b)中两整流器载波相位相差1800(假设一个载波周期对应360o)，那么两个整流器系统产生的某次谐波 相位也将相差180o，幅值相反，贝U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。图4载波相位与谐波的关系原理图图5现场调整载波相位前后电压波形图图5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

9、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。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尽相同。见表 2。表2不同整流器的功率因数及特点23功率可以双向传递，具有再生能力对于功率因数高的要求，便选择pwm 了整流电路，其中功率元件采用了 igbt功率元件。通过基于igbt的控制系统可 以很好的将功率

10、因数控制为1，将能量从网侧几乎全部传递到马达，同时将在反向制动时将能量反馈回电网。在这个功率因数控制中，采用矢量控制技术。其中电流调节 器检出电源侧电流， 通过(u,v,w)到(dfb,qfb)变换，将它分解 为与电源电压同相的有功分量iqf和与电源电压正交的无功分量idfb。而将给定id*设定为0，并控制参数使两个反馈 值与给定值iq*和id* 一致。由此，可以使输入电压与电流同 相，也就是功率因数为1。另外，将自动电压调节器和负荷补偿环节的输出作为有功电流给定来控制整流器输出。图6为功率因数控制过程中整流器矢量图，图a为非高功率因数参数矢量图，可见 vs和is相位不一致，所以输入功率因数 小于1;图b为对整流器矢量控制后的矢量图，vs和is被控制到同一相位，使输入功率因数为