三相PWM整流器電路諧振過電壓分析及預防

張紹軍，張嘉彧

（1.西門子工廠自動化工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710065；2.西門子工廠自動化工程有限公司，北京 100005）

三相6開關電壓型PWM整流器屬Boost型功率因數調節的整流器，可四象限運行同時也是逆變器。具有電流功率因數接近于1，電流波形正弦化，諧波小，控制精度高，直流母線電壓穩定，能量可再生回饋的特點。原理如圖1所示。

圖1 三相PWM整流器驅動系統拓撲結構Fig.1 Topology of PWM rectifier circuit

IGBT模塊內集成整流二極管和IGBT單管，6個二極管構成非受控三相二極管整流橋，6個全控器件IGBT則分別和二極管并聯，形成三相6開關電壓升壓型PWM拓撲電路。由PWM整流器構成的電路同時也包含PWM方式控制的逆變器用于驅動電機，即兩端均為PWM方式控制。近些年來，隨著對高性能驅動的需求，以及節能環保、電磁兼容性要求愈加嚴格，三相6開關電壓型PWM整流器得到了越來越多的重視和實際應用。

目前業界對于三相PWM整流器，更多的是研究其控制理論策略，對于實際工程應用中的失效現象總體研究較少。部分研究將失效原因歸咎為IGBT過流過熱等，但實際中相當多的案例中找不到負載過大、IGBT過流和溫度過高的現象，這說明對其失效機理認識仍不全面。根據我們多年的實際應用，總結失效原因更多的是來自于過電壓。在實際使用中的某些場合和條件下，PWM整流器電路會出現瞬態過電壓的情況。瞬態過電壓最明顯的危害就是擊穿器件的絕緣，或者超過了氣隙和爬電距離允許最大設計的電壓值，導致對設備外殼放電，造成驅動裝置故障。即便是出現較低的過電壓雖不至于立即損壞元器件，但也會使開關元件（如IGBT模塊）和母線電容應力加大，帶來動態損傷，縮短其使用壽命，降低其可靠性。在3×AC 400 V額定電壓的PWM整流器電路中，實際出現的瞬態過電壓可達到數kV級別，造成部件的非正常損壞。對于PWM整流器這種新型電力電子產品來說，研究其過電壓機理和采取有效的預防措施，是非常必要的。

1 PWM整流器電路瞬態過電壓機理

對于過電壓現象，從傳統角度分析，一般認為來自于“雷擊”外部因素或者“甩負荷、切換合閘”等對供電的內部操作[1]，但現場中在出現這種問題的時候往往并沒有上述情況發生，無法用上述原因進行解釋。PWM整流器電路出現過電壓現象，既可能在整流器端，也可能在逆變器端，甚至在電機端，大部分現象無法用“電壓反射理論”來解釋。過電壓瞬間電壓超高很容易引起裝置器件絕緣擊穿或者對外殼放電，前端斷路器立即斷開，電路斷電，修復之后再次上電又一切正常，總體表現為很短時間的瞬態過電壓而非持續過電壓。因為平常不易測量到這種現象，捕捉現場比較困難，往往可能被誤認為是污染物造成短路，這也是造成對PWM整流器電路瞬態過電壓機理認識不清的一個重要原因。

綜上所述，為了更好地預防這種問題，需要從新的角度來分析這種現象的發生機理。在傳統因素之外，對于PWM整流器電路瞬態過電壓，主要來自于電路諧振（或者稱為電路振蕩）。而電路諧振主要來自于兩個方面：進線阻抗不匹配和驅動系統寄生電容電感。這兩個方面互相影響，都會激發電路諧振，在整流器電路中產生瞬態過電壓。前者的因素相對更多一些。

由于存在著電路諧振、電壓反射等現象，在PWM整流器電路中引起瞬態過電壓的因素較一般工頻電路而言要多，總體出現的概率要大，需要采取新的思路進行硬件的配置并采用一些預防措施。

2 電路諧振模型

圖2為PWM整流器諧振模型圖。

圖2 PWM整流器諧振模型Fig.2 Resonance oscillation model of PWM rectifier

如圖2所示的升壓型PWM整流器電路諧振模型，E為電源電壓，R為電路的等效電阻，L為等效電感，C為等效電容，IGBT模塊內包含IGBT單管和整流二極管，無論IGBT單管或者是二極管，一旦導通可視為導線，電阻可以忽略。因為PWM整流器最大的特點就是通過控制IGBT導通，在L和C之間進行充放電并修正電流，L和C之間能量可交換，所以PWM整流器電路在工作中可以近似等效為一個RLC串聯電路，其諧振條件為

式中：f為電源頻率；f0為電路固有頻率。

當發生諧振時，直流母線電容端的電壓為[1]

3 進線阻抗與基波諧振

進線阻抗以感抗為主，阻抗越大，則電路的固有頻率越低。在電路諧振模型中，等效電感L不僅僅是電抗器的電感，而是從變壓器到整流器端所有的電感之和，包含變壓器、母線排、動力電纜、電抗器以及寄生電感等。而等效電容除了驅動組的直流母線電容之外，也包含各種寄生電容。因此僅僅知道了電抗器的電感LHF和驅動組的直流母線電容CDC-link，其實還并不能掌握這個電路整體的L和C，并不掌握電路的固有頻率，無法把握是否會出現諧振。換句話說：整流器電路本身不會諧振，但是不能確定放在具體這個環境里會不會出現諧振。

對于3×AC 400 V的50 Hz電路而言，整流器前端的進線濾波器一般被設計為過濾吸收高次諧波，如3次、5次和7次等，但對50 Hz的基波是不應該也不能過濾的，而如果固有頻率在基波附近，則出現進線基波諧振的可能性會大大增加[2]。現實中，基波的額定電壓即為線電壓AC 400 V，一但發生基波諧振，則電抗器之后的整流器進線電壓會迅速升高甚至達到數kV以上級別，導致急劇的瞬態過電壓發生，直接損壞整流器件如IGBT模塊等。從實際情況看，在PWM整流器電路中，進線基波諧振導致過電壓的情況是主要的。

進線阻抗與基波是否發生諧振關系密切，如果能檢測出整流器前端進線電感和直流母線電容，則可以根據式（1）計算出電路的固有頻率，大致掌握是否會出現基波諧振，這對于預防諧振過電壓是有利的。如圖3例子所示：某型PWM整流器通過控制IGBT的導通，向電網注入特定頻率的諧波，根據檢測進線端電壓和電流的變化計算得出相應的電感，計算出進線等效電感為5.958mH，同時計算出等效直流母線電容為2.42mF，可以計算出理論的固有頻率在42 Hz左右，和進線基波頻率50 Hz是比較接近的，那么對于這個PWM電路而言是不夠安全的。而在圖4的另一個例子中，整流器測量出進線等效電感為0.390 mH，同時計算出等效直流母線電容為5.53 mF，可以計算出理論的固有頻率在108 Hz左右，和進線基波頻率50 Hz的差距較大，相對比較安全。這兩個例子中，前者在反復多次測量中就發現其進線等效電感變化幅度很大，甚至差距幾十倍，而后者一直比較穩定，僅有極小的變化。

圖3 PWM整流器電路進線電感和直流母線電容（1）Fig.3 Line supply inductance and DC bus capacitance（1）

圖4 PWM整流器電路進線電感和直流母線電容（2）Fig.4 Line supply inductance and DC bus capacitance（2）

4 寄生電容和寄生電感的影響

在電路的逆變側，由于有直流母線電容、電機的電阻和電感，電機動力電纜的電阻，逆變側也構成RLC串聯電路，并有諧振的可能性。在PWM整流器電路中，整流側和逆變側均構成RLC串聯電路，可看作是兩個共用C的RLC電路的串聯，其諧振效應會互相影響。

任何存在PWM波的電路中，來自于動力電纜和電機線圈的寄生電容和寄生電感是不可避免的。這種寄生電容和電感在工頻作用下的影響可以忽略不計，但在高頻PWM波的作用下卻被放大。現實中，寄生電容和電感受到動力電纜長度、是否有屏蔽層、屏蔽連接是否牢固、電機線圈阻抗、電機運行狀態及接地質量等多種因素的影響，實際進行準確預測是比較困難的。例如：同樣一臺力矩速度閉環控制的電機，在靜止力矩保持和額定速度轉動時，由于PWM波的頻率和幅值不同，其動力電纜和電機線圈上體現出來的寄生電容和寄生電感就有很大的不同，而電機的這種工作狀態在實際應用中很難準確掌握，造成了對寄生效應預測的困難。基于這種原因，這種寄生電容電感可能有時會達到一個比較高的水平，會導致逆變側諧振電路模型中L和C的大幅度變化，嚴重影響電路總的固有頻率的穩定，因此其作用也絕對不能忽視。如圖3所示，其理論計算固有頻率在42 Hz左右，如果再考慮實際運行中必然會產生的寄生電容電感的影響，則式（1）中的等效電感和等效電容還會繼續變化，其實際固有頻率和基波頻率重合的可能性變大了。

PWM波的作用是產生寄生電容電感的根本原因。三相PWM整流器是可以四象限運行的，既是整流器也是逆變器，最大特點就是無論整流或是逆變，均以輸出電壓和進線電流的偏差調節信號作為調制波，為了保證電流正弦化和單位功率因數，其直接電流控制信號均以SPWM波的方式發出，進線電流呈現SPWM的特點，因此在PWM整流器的前端，也必然會存在寄生電容電感。即：此時在整流端和逆變端都有寄生電容電感，都會對電路的固有頻率產生影響，整流側和逆變側的振蕩效應互有關聯。這一點和傳統的二極管整流器電路是不同的。

5 進線阻抗的匹配

從設計上講，整流器電路的直流母線電容和電抗器電感是匹配的，不可能與基波發生諧振，而高次諧波也被專門設計的濾波器吸收，因此需要進線的阻抗越小越好，這樣整流器前端的整體等效阻抗就會越接近于電抗器本身的電感，越不容易發生基波諧振。而現場的進線阻抗匹配不合適，可能就會引發基波諧振。而要進線阻抗匹配，需要根據進線等效電感、電容和電阻進行計算校驗，但由于實際中很難得到這些基本的數據，難度較大。如果驅動裝置接入電網后再進行匹配計算，這種順序則是不正確的。從工程實踐角度，直接對進線的短路容量進行規定，使進線顯示出強電網的特點，即可以達到阻抗匹配的要求，這種方法簡單可行，可以滿足實際的工程需求。

強電網表現為短路容量大、電網阻抗小、固有頻率高、穩定性高、不易諧振；而弱電網表現為短路容量低、阻抗大、固有頻率低、穩定性低、容易發生諧振。

一般地，應該使Sk（進線電網的短路容量，kV·A）和Pn（整流器額定功率，kW）滿足[2]：

式中：70為一般的倍數要求。

如果同一個進線網絡中有若干個PWM整流器，則Pn為若干個整流器額定功率的代數和，此時由于同時系數的關系，可以選擇下限倍數50。

在一個已經固定的電網中，大功率PWM整流器電路比小功率PWM整流器電路更容易出現諧振過電壓，即系統短路容量對大功率PWM整流器額定功率倍數不足的體現，大量實踐已經證明了這一點。因此如果進線系統已經成型無法做任何改變，單獨給PWM整流器配置一個合適的進線穩壓裝置（如電力穩壓器）也是一個退而求其次的方法，實際效果也比較顯著。一般的原則是：該穩壓器的視在功率（kV·A）應該大于等于1.27Pn（kW），且同時應滿足穩壓器的短路阻抗Uk≤3%。如果設備中還有其它非PWM整流器所帶的負載，則要根據其它負載的規定繼續加大穩壓器的視在功率容量。

6 幾種有效的預防措施

除了對進線進行要求和匹配之外，經過現場工程實踐驗證，以下措施對減少電路諧振引起的過電壓也是有效的，且實施比較簡單。

6.1 使用帶有阻尼電阻的電抗器

普通的電抗器（HF）不帶衰減電阻，而適當的阻尼電阻能夠衰減進線諧振，避免過電壓。實踐表明，使用配有衰減電阻的電抗器（HFD）是一個有效的方法。這種電抗器采用雙線圈設計，次級線圈對PE加裝適當的衰減電阻，使得電抗器具有較強的阻尼作用，可以有效地抑制對地電壓振蕩，圖5為衰減電阻對諧振衰減的效果對比，經過實際測試，加入阻尼電阻的電抗器對電抗器的輸出電壓振蕩能起到很好的抑制作用。

圖5 衰減電阻對諧振衰減的效果對比Fig.5 Oscillation damping comparison of HF and HFD with damping resistor

6.2 配置電阻模塊

三相PWM整流器具有饋電功能理論上無需電阻模塊，但仍建議配置電阻模塊。從理論上講，直流母線電壓超過門檻設置時，整流器會通過控制IGBT的導通向電網反向輸入電流實現直流母線降壓，但這種方式對于直流母線的振蕩過電壓會顯得反應不夠，振蕩過電壓需要阻尼來迅速衰減。電阻模塊具有獨立于整流器的直流母線電壓監測電路，正常情況下并不起作用，一旦檢測發現直流母線達到門檻上限則可以立即通過一個開關管（例如IGBT）在DC+/DC-之間接通一個電阻，通過電阻發熱來衰減直流母線的過電壓，直流母線電壓降低到門檻以下后再斷開電阻。電阻模塊原理圖如圖6所示。

圖6 電阻模塊原理圖Fig.6 Schematic diagram of the resistor module

6.3 合理布局部件和電纜

由于進線阻抗、寄生電容電感等參數與動力電纜的長度和布局有關，因此要盡可能地縮短動力電纜的長度且不能盤繞，包括設備電柜到變壓器的距離以及電柜內部電纜的長度。在設備電柜內，進線濾波器、電抗器和整流器之間，在滿足散熱的情況下，將其盡可能地靠近安裝，使得它們之間的電纜長度盡可能的短且沒有盤繞。

6.4 配置合適的電機側濾波器

由于PWM波作用下寄生效應的不可消除性，對于必須使用的較長的電機動力電纜，可以在逆變器和電機之間配置合適的輸出電機側濾波器，既可以衰減電壓反射引起的過電壓，也可以增大逆變側的阻尼，減少諧振效應。

7 結論

由于三相PWM整流器電路的振蕩電路效應作用，因此電路中瞬態過電壓更多地是來自電路諧振，特別是進線基波諧振。這和傳統的二極管整流器電路有很大的不同，這也是造成PWM整流器功率器件失效的主要原因之一，因此應該引起足夠的重視，并采取有效措施盡可能消除引起諧振的因素。

在引起諧振的因素中，進線阻抗匹配的因素對諧振效應影響最大，其次是電路中寄生電容電感的影響。在實際的應用中，硬件配置需要注意上述因素，并對設備現場的進線指標做出一些具體的要求，使得進線阻抗匹配合理。實踐證明，注意了上述因素并采取有效措施，可以很好地預防過電壓現象，大大降低PWM整流器電路瞬態過電壓的發生，更好地體現三相PWM整流器的優點。