三相PWM整流器的進(jìn)線電感和直流母線電容識(shí)別

張紹軍

（西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710065）

三相六開關(guān)電壓型PWM整流器屬Boost型功率因數(shù)調(diào)節(jié)的整流器，可四象限運(yùn)行同時(shí)也是逆變器。具有電流功率因數(shù)接近于1、電流波形正弦化、諧波小、控制精度高、直流母線電壓穩(wěn)定、能量可再生回饋的特點(diǎn)，其原理如圖1所示。近些年來，隨著對(duì)高性能驅(qū)動(dòng)的需求，以及對(duì)節(jié)能環(huán)保和電磁兼容性要求愈加嚴(yán)格，三相六開關(guān)電壓型PWM整流器得到了越來越多的重視和實(shí)際應(yīng)用。

圖1 三相PWM整流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相PWM整流器為電流環(huán)和電壓環(huán)的雙閉環(huán)控制，對(duì)這兩個(gè)控制環(huán)精確控制的前提是需要獲得精確的進(jìn)線電感數(shù)值和直流母線電容數(shù)值，因此在整流器正式工作之前的這種識(shí)別工作是非常重要的。經(jīng)過進(jìn)線電感和直流母線電容準(zhǔn)確識(shí)別之后，PWM整流器的控制參數(shù)能得到進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)可靠性得到了提升。（為敘述方便起見“進(jìn)線電感和直流母線電容識(shí)別”以下簡(jiǎn)稱“識(shí)別”。）

1 進(jìn)線電感和直流母線電容的作用

對(duì)于PWM整流器的電流環(huán)，進(jìn)線側(cè)電感指標(biāo)非常重要，電感數(shù)值不僅影響到電流環(huán)的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)和阻尼特性，最重要的是制約了整流器的輸入輸出功率，直接反映到整流器輸入輸出電流指標(biāo)上。在功率因數(shù)為1時(shí)，PWM整流器網(wǎng)側(cè)控制電壓幅值Vp滿足以下公式：

公式（1）中：

Vp—整流器網(wǎng)側(cè)控制電壓的幅值；

I—交流電源的電流幅值；

ω—交流電源電壓的角頻率；

L—交流側(cè)進(jìn)線電感；

E—交流電源電壓的幅值；

對(duì)于Boost拓?fù)湔髌鳎茉骷~定電壓和絕緣性能的限制，Vp存在最大值，從公式（1）可見，Vp一定時(shí)，進(jìn)線電感L越小，則電源電流幅值越大；L越大則電流幅值越小。這說明PWM整流器的進(jìn)線電感較小時(shí)輸入輸出功率可以更大；進(jìn)線電感越大，則PWM整流器輸入輸出功率越小［1］。例如：額定功率120kW的PWM整流器的進(jìn)線電感理論值就只有36kW的PWM整流器進(jìn)線電感理論值的30%左右。此外進(jìn)線電感過大會(huì)降低電路固有頻率，帶來“進(jìn)線基波諧振”問題［3］。

直流母線電容可以緩沖交流測(cè)和直流負(fù)載間的能量交換，且穩(wěn)定直流側(cè)電壓抑制直流側(cè)的諧波電壓［1］。但如果電容數(shù)值過大，在電壓環(huán)增益維持不變的情況下，則會(huì)影響電壓環(huán)的動(dòng)態(tài)特性。

綜上所述，對(duì)于PWM整流器，進(jìn)線電感和直流母線電容都應(yīng)該滿足一定的條件。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際如果和缺省設(shè)置值有較大的不同就必須要調(diào)整電流環(huán)電壓環(huán)的控制參數(shù)。

2 進(jìn)線電感和直流母線電容的構(gòu)成

目前PWM整流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有兩種型式：整流器和逆變器集成在一起的型式、整流器和逆變器分開共用直流母線的型式。無論哪種型式，其標(biāo)稱的電感和直流母線電容嚴(yán)格來說并不非常精確，這主要是因?yàn)闆]有考慮實(shí)際的電網(wǎng)電感和使用情況。

PWM整流器必須配套對(duì)應(yīng)的電抗器，電抗器的電感數(shù)值一般被設(shè)置為缺省的進(jìn)線電感值。但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)中對(duì)于整流器而言，由于車間電網(wǎng)電感的存在，“整流器的進(jìn)線總電感=電抗器電感+電網(wǎng)電感”。電抗器電感數(shù)值可以由制造工藝保證，但電網(wǎng)電感在實(shí)際應(yīng)用中卻很難在開始階段就能預(yù)測(cè)。電網(wǎng)電感是從變壓器到電抗器前端所有的電感之和，包含變壓器、母線排、動(dòng)力電纜等。由于電網(wǎng)的強(qiáng)弱不同，在不同的車間環(huán)境里這些因素差異很大。

對(duì)于整流器和逆變器分開共用直流母線的驅(qū)動(dòng)型式（如圖2所示），在實(shí)際應(yīng)用中，逆變模塊是根據(jù)負(fù)載電機(jī)數(shù)量而定，電機(jī)數(shù)量可多可少，對(duì)應(yīng)的模塊數(shù)量則不同，同時(shí)驅(qū)動(dòng)組中還可能因?yàn)楣に囆枰渲糜须娙菽K或者制動(dòng)模塊（內(nèi)含較大電容）等，那么具體到不同的PWM整流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，直流母線總電容也是不同的。例如一臺(tái)額定功率120kW的PWM整流器，既可以在某設(shè)備中的逆變側(cè)帶有4個(gè)較小功率的電機(jī)，也可能在另外一臺(tái)設(shè)備中逆變側(cè)帶有2個(gè)較大功率的電機(jī)且還安裝有1個(gè)電容模塊，那么雖然同樣為120kW的PWM整流器，實(shí)際所帶的直流母線電容實(shí)際可能差異很大。除了基本配置不同外，使用者還可以在滿足功率的條件下增加電機(jī)，甚至可以減少電機(jī)數(shù)量，這些因素都會(huì)帶來驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)際電容數(shù)值的變化。

圖2 共直流母線驅(qū)動(dòng)型式

因此對(duì)于PWM整流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常經(jīng)過識(shí)別后才能得出當(dāng)前使用現(xiàn)場(chǎng)的、整流器自身比較精確的進(jìn)線電感和全部直流母線電容數(shù)值，才能精確地對(duì)電流環(huán)和電壓環(huán)進(jìn)行控制，充分發(fā)揮其特性。

3 識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景

一般來說，以下情況需要在PWM整流器正式工作之前進(jìn)行識(shí)別操作：

（1）PWM整流器驅(qū)動(dòng)裝置到達(dá)實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)全部連接完畢，第一次正式上電之后。

（2）驅(qū)動(dòng)組中模塊數(shù)量變化之后。例如負(fù)載在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加了逆變側(cè)的用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的模塊，或者電容模塊等，當(dāng)然也可能是在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上減少了電機(jī)和模塊的數(shù)量。

（3）供電電網(wǎng)進(jìn)行了擴(kuò)容（如增大了變壓器），或者同一個(gè)供電電網(wǎng)中增加了某些大功率負(fù)載，導(dǎo)致可能會(huì)使進(jìn)線電感產(chǎn)生較大的變化。

上述場(chǎng)景都是PWM整流器系統(tǒng)的使用環(huán)境發(fā)生了較為重大的變化，其控制基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

4 SINAMICSS120的識(shí)別功能

SINAMICSS120（以下簡(jiǎn)稱S120）作為新一代基于工業(yè)以太網(wǎng)通訊的智能驅(qū)動(dòng)裝置，包含PWM整流器裝置。S120的整流器在控制單元（CU）的控制下可以進(jìn)行這種識(shí)別操作［2］。這種識(shí)別功能不僅可用于S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的PWM整流器，對(duì)于S120驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的非PWM整流器也同樣適用。其過程為：控制器在驅(qū)動(dòng)加使能后，控制IGBT的導(dǎo)通，經(jīng)過電抗器向電網(wǎng)注入電流諧波，并同時(shí)給直流母線充電，這個(gè)過程大約持續(xù)10-15s左右的時(shí)間。根據(jù)檢測(cè)整流器進(jìn)線端電壓和電流的變化計(jì)算得出進(jìn)線電感，并檢測(cè)直流母線電壓的變化率計(jì)算出直流母線的電容量。識(shí)別過程完成后，系統(tǒng)自動(dòng)修改參數(shù)P3421（整流器進(jìn)線總電感），P3422（直流母線電容）和P3424（電網(wǎng)電感）中的實(shí)際數(shù)值，如圖3所示。并調(diào)整部分控制環(huán)數(shù)據(jù)。這個(gè)過程可以多次反復(fù)進(jìn)行，以觀察測(cè)量數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。

圖3 進(jìn)線電感和直流母線電容識(shí)別后數(shù)據(jù)

通過整流器參數(shù)P3410設(shè)置不同的數(shù)值，S120驅(qū)動(dòng)的識(shí)別功能提供了若干種識(shí)別方式可以使用，常用的有以下2種方式供選擇：（1）通過電感適配保存識(shí)別和控制器設(shè)置；（2）復(fù)位、檢測(cè)并保存帶電感適配的控制器設(shè)置。

方式（1）是在下一次給出脈沖使能時(shí)，觸發(fā)總進(jìn)線電感和直流母線電容識(shí)別，這個(gè)過程包含2個(gè)電流強(qiáng)度不同的測(cè)量循環(huán)，識(shí)別出新的數(shù)據(jù)后自動(dòng)保存，并重新計(jì)算兩個(gè)控制器的控制數(shù)據(jù)，之后保存到控制單元的EPROM中；方式（2）和（1）類似，不同之處在于開始檢測(cè)之前先將當(dāng)前電感和電容的參數(shù)數(shù)值復(fù)位為缺省值，再開始測(cè)量循環(huán)。一般常用方式（2）作為使用現(xiàn)場(chǎng)的識(shí)別方法。

從工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，可以通過多次識(shí)別來觀察電網(wǎng)的強(qiáng)弱。例如在不同時(shí)間點(diǎn)、不同電網(wǎng)負(fù)載情況下進(jìn)行反復(fù)識(shí)別測(cè)試，如果識(shí)別測(cè)試出來的電感數(shù)值差異較大，則說明這個(gè)電網(wǎng)的容量較小，是一個(gè)典型的弱電網(wǎng)。例如某個(gè)案例中，一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)測(cè)出的進(jìn)線電感數(shù)值分別為5.958mH、118.237mH、220.329mH、2.258mH，最大相差接近一百倍，則表明這是一個(gè)非常弱的電網(wǎng)，其實(shí)并不適合PWM整流器的運(yùn)行，如果非要運(yùn)行則應(yīng)該采取一些措施，如單獨(dú)增設(shè)合適的變壓器等。反之，如果反復(fù)多次識(shí)別測(cè)試電感數(shù)值比較穩(wěn)定變化很小，則說明電網(wǎng)容量大，這種強(qiáng)電網(wǎng)更適用于PWM整流器的運(yùn)行。

5 識(shí)別之后的控制器參數(shù)調(diào)節(jié)

S120驅(qū)動(dòng)的PWM整流器控制圖如圖4所示，電壓環(huán)為控制外環(huán)，電流環(huán)為控制內(nèi)環(huán)。在進(jìn)線電感和直流母線電容識(shí)別之后，S120驅(qū)動(dòng)的CU會(huì)根據(jù)電流環(huán)和電壓環(huán)的要求，自動(dòng)調(diào)整部分參數(shù)，以更好地適應(yīng)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)電流環(huán)和電壓環(huán)的控制。

圖4 S120驅(qū)動(dòng)PWM整流器雙環(huán)控制圖

由于逆變側(cè)模塊中電容的作用，最終識(shí)別出的電容數(shù)值肯定也要比缺省設(shè)置的電容數(shù)值要大，現(xiàn)實(shí)中增大數(shù)倍都是常見的。同時(shí)由于電網(wǎng)電感一定大于0，最終識(shí)別出的總進(jìn)線電感數(shù)值一定比缺省設(shè)置電感數(shù)值要大，電網(wǎng)越弱進(jìn)線電感越大。因此識(shí)別后P3421和P3422兩個(gè)參數(shù)實(shí)際都會(huì)增加。

對(duì)于上述兩個(gè)控制環(huán)，S120驅(qū)動(dòng)涉及調(diào)整參數(shù)主要包含：P3555（電壓控制器快速介入比例系數(shù)），P3560（電壓控制器比例增益），P3562（電壓控制器積分時(shí)間），P3615（電流控制器比例增益），P3617（電流控制器積分時(shí)間），P3620（電流控制器適配閾值比例系數(shù)）和P3622（電流控制器適配降低系數(shù)）等。

在識(shí)別操作之后，CU根據(jù)電感和電容實(shí)際數(shù)值，以及整流器IGBT模塊的額定電流等，經(jīng)過特定算法計(jì)算后進(jìn)行綜合調(diào)整。但是并非上述每個(gè)參數(shù)都會(huì)被調(diào)整，以下舉例說明。

案例：120kW的PWM整流器系統(tǒng)，識(shí)別前缺省值P3421=0.176mH，P3422=4mF，識(shí)別 后 P3421=0.225mH，P3422=7.97mF，CU自動(dòng)調(diào)整P3555從缺省0提高到82%，P3622從缺省80%降低到78%。

由于實(shí)際直流母線電容增大到缺省的1.99倍，原電壓環(huán)如果不進(jìn)行調(diào)整則特性會(huì)明顯下降，額定功率120kW的PWM整流器驅(qū)動(dòng)組最大直流母線電容為20mF，7.97mF遠(yuǎn)低于20mF，此時(shí)需要、且能力也允許大幅度提升電壓控制器作用介入的比例系數(shù)，使得電壓環(huán)反應(yīng)更為迅速，則通過識(shí)別優(yōu)化后電壓環(huán)的特性得到了提升。

P3622反映了電流控制器適配降低系數(shù)最大為100%，對(duì)應(yīng)整流器最大電流缺省為80%，比額定電流對(duì)應(yīng)比例系數(shù)略大一些。識(shí)別后實(shí)際進(jìn)線電感雖有增加但幅度不大，經(jīng)過優(yōu)化后電流控制器增益沒有改變，在電流控制器適配系數(shù)上降低了2%，對(duì)應(yīng)整流器輸入電流略有降低，對(duì)IGBT模塊略有降額，整流器在維持電流環(huán)特性的同時(shí)，可靠性略有提高且仍能保持較高的功率輸出。

6 結(jié)論

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和理論缺省設(shè)置之間的差異，只有能精確識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)線電感和實(shí)際直流母線電容的PWM整流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，才能真正做到電壓環(huán)和電流環(huán)的精確控制，否則其雙環(huán)控制效果會(huì)受到影響。大量實(shí)踐表明：三相PWM整流器在實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)線電感和直流母線電容識(shí)別，并自動(dòng)優(yōu)化電壓控制器和電流控制器是非常必要的，識(shí)別優(yōu)化后特性和可靠性均有所上升，進(jìn)線相位報(bào)警也有所減少。