中心議題:
- 高功率因數(shù)的控制方法
- CT異常對整流器的影響
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、恒定直流電壓控制,以及高功率因數(shù)控制(cosφ≈1.0)等特點。使用該類型整流器除了實現(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行比較的方法對IGBT元件進行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種運行方式:整流運行、逆變運行,純靜態(tài)無功補償運行以及is超前/滯后任意角度運行。
在實際應(yīng)用中,整流器主要工作在整流運行狀態(tài)和逆變運行狀態(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,在負載或電網(wǎng)波動時,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)有兩個直流電流調(diào)節(jié)環(huán),一個用于q軸有功電流分量的控制,一個用于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(因為控制目標為cosφ≈1.0)。三相實際電流ir、is、it經(jīng)過3/2坐標變換和旋轉(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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負荷補償功能主要是考慮逆變器負荷變化時,為了保持電容器上直流電壓vdc的穩(wěn)定,應(yīng)根據(jù)逆變器負荷變化情況對整流器iq分量進行相應(yīng)地補償。
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立運行的,它們是分別獨立可控的,能對整流器的功率因數(shù)進行獨立控制,而不受馬達負荷及運轉(zhuǎn)速度的影響,如圖2所示。
功率因數(shù)控制到1.0實際上就是設(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,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。
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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。
當電動機減速制動時,從逆變器返回再生能量使直流電壓升高,此時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,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,這時能量是往電網(wǎng)方向流動的。如圖5和圖6所示。
3 CT異常對整流器的影響
整流器中電流檢測元件采用的是nnc系列有源電流互感器(簡稱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際電流的檢測,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損壞檢測不到電流(即電流檢測為0),另一種是CT檢測產(chǎn)生衰減(即電流檢測偏?。ǔ5谝环N情況發(fā)生的概率較大。但不管是哪種情況,都會引起整流器工作不正常。
整流器正常工作時,r、s、t三相電流是互相對稱的,即三相幅值一樣,相位將互差120°,而且任何時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。當系統(tǒng)中某處有漏電產(chǎn)生時,ir+is+it≠0,起到監(jiān)控報警作用。
如果CT損壞檢測不到電流(即電流檢測為0,例如r相電流ir=0),由于電流給定是一直存在的,則因為相電流調(diào)節(jié)器的作用,r相電流會越來越大,直到過流跳電或dc過壓跳電(如果dc電壓先起作用的話)。
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如果由于線路缺相,CT也檢測不到電流(例如r相電流ir=0),則由于平衡控制會使另外兩相電流的相位差變?yōu)?80°,幅值相等(當然為補償“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,根據(jù)r、s、t相實際電流計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。
如果CT檢測有衰減,則由于相電流調(diào)節(jié)器的作用,r相實際電流會偏大,但此時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,整流器r相實際電流為1000a時,CT檢測輸出10v,而當CT有衰減時,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”,對應(yīng)的實際電流為10v/9.5v×1000a=1053a。但CT和控制系統(tǒng)仍然認為整流器r相實際電流為1000a。
小電流測量的CT有異常時,可以通過測試來判斷。但對于大電流CT(例如5000a),由于沒有專用的設(shè)備,現(xiàn)場一般很難判斷其好壞,這方面問題有待于我們研究和解決。
4 結(jié)束語
IGBT高功率因數(shù)整流器在現(xiàn)場已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,效果良好,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,操作維護方便。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,有效降低了諧波對電網(wǎng)的影響。