三相PWM整流器電路諧振過電壓分析及預(yù)防

張紹軍，張嘉彧

（1.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；2.西門子工廠自動(dòng)化工程有限公司，北京 100005）

三相6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)。原理如圖1所示。

圖1 三相PWM整流器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of PWM rectifier circuit

IGBT模塊內(nèi)集成整流二極管和IGBT單管，6個(gè)二極管構(gòu)成非受控三相二極管整流橋，6個(gè)全控器件IGBT則分別和二極管并聯(lián)，形成三相6開關(guān)電壓升壓型PWM拓?fù)潆娐?。由PWM整流器構(gòu)成的電路同時(shí)也包含PWM方式控制的逆變器用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，即兩端均為PWM方式控制。近些年來，隨著對(duì)高性能驅(qū)動(dòng)的需求，以及節(jié)能環(huán)保、電磁兼容性要求愈加嚴(yán)格，三相6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。

目前業(yè)界對(duì)于三相PWM整流器，更多的是研究其控制理論策略，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用中的失效現(xiàn)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(shí)際中相當(dāng)多的案例中找不到負(fù)載過大、IGBT過流和溫度過高的現(xiàn)象，這說明對(duì)其失效機(jī)理認(rèn)識(shí)仍不全面。根據(jù)我們多年的實(shí)際應(yīng)用，總結(jié)失效原因更多的是來自于過電壓。在實(shí)際使用中的某些場(chǎng)合和條件下，PWM整流器電路會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)過電壓的情況。瞬態(tài)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(shè)計(jì)的電壓值，導(dǎo)致對(duì)設(shè)備外殼放電，造成驅(qū)動(dòng)裝置故障。即便是出現(xiàn)較低的過電壓雖不至于立即損壞元器件，但也會(huì)使開關(guān)元件（如IGBT模塊）和母線電容應(yīng)力加大，帶來動(dòng)態(tài)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(shí)際出現(xiàn)的瞬態(tài)過電壓可達(dá)到數(shù)kV級(jí)別，造成部件的非正常損壞。對(duì)于PWM整流器這種新型電力電子產(chǎn)品來說，研究其過電壓機(jī)理和采取有效的預(yù)防措施，是非常必要的。

1 PWM整流器電路瞬態(tài)過電壓機(jī)理

對(duì)于過電壓現(xiàn)象，從傳統(tǒng)角度分析，一般認(rèn)為來自于“雷擊”外部因素或者“甩負(fù)荷、切換合閘”等對(duì)供電的內(nèi)部操作[1]，但現(xiàn)場(chǎng)中在出現(xiàn)這種問題的時(shí)候往往并沒有上述情況發(fā)生，無法用上述原因進(jìn)行解釋。PWM整流器電路出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，既可能在整流器端，也可能在逆變器端，甚至在電機(jī)端，大部分現(xiàn)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(duì)外殼放電，前端斷路器立即斷開，電路斷電，修復(fù)之后再次上電又一切正常，總體表現(xiàn)為很短時(shí)間的瞬態(tài)過電壓而非持續(xù)過電壓。因?yàn)槠匠２灰诇y(cè)量到這種現(xiàn)象，捕捉現(xiàn)場(chǎng)比較困難，往往可能被誤認(rèn)為是污染物造成短路，這也是造成對(duì)PWM整流器電路瞬態(tài)過電壓機(jī)理認(rèn)識(shí)不清的一個(gè)重要原因。

綜上所述，為了更好地預(yù)防這種問題，需要從新的角度來分析這種現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理。在傳統(tǒng)因素之外，對(duì)于PWM整流器電路瞬態(tài)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(gè)方面：進(jìn)線阻抗不匹配和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)寄生電容電感。這兩個(gè)方面互相影響，都會(huì)激發(fā)電路諧振，在整流器電路中產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓。前者的因素相對(duì)更多一些。

由于存在著電路諧振、電壓反射等現(xiàn)象，在PWM整流器電路中引起瞬態(tài)過電壓的因素較一般工頻電路而言要多，總體出現(xiàn)的概率要大，需要采取新的思路進(jìn)行硬件的配置并采用一些預(yù)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(nèi)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(dǎo)通可視為導(dǎo)線，電阻可以忽略。因?yàn)镻WM整流器最大的特點(diǎn)就是通過控制IGBT導(dǎo)通，在L和C之間進(jìn)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(gè)RLC串聯(lián)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(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，直流母線電容端的電壓為[1]

3 進(jìn)線阻抗與基波諧振

進(jìn)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(dòng)力電纜、電抗器以及寄生電感等。而等效電容除了驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)組的直流母線電容CDC-link，其實(shí)還并不能掌握這個(gè)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(huì)出現(xiàn)諧振。換句話說：整流器電路本身不會(huì)諧振，但是不能確定放在具體這個(gè)環(huán)境里會(huì)不會(huì)出現(xiàn)諧振。

對(duì)于3×AC 400 V的50 Hz電路而言，整流器前端的進(jìn)線濾波器一般被設(shè)計(jì)為過濾吸收高次諧波，如3次、5次和7次等，但對(duì)50 Hz的基波是不應(yīng)該也不能過濾的，而如果固有頻率在基波附近，則出現(xiàn)進(jìn)線基波諧振的可能性會(huì)大大增加[2]?，F(xiàn)實(shí)中，基波的額定電壓即為線電壓AC 400 V，一但發(fā)生基波諧振，則電抗器之后的整流器進(jìn)線電壓會(huì)迅速升高甚至達(dá)到數(shù)kV以上級(jí)別，導(dǎo)致急劇的瞬態(tài)過電壓發(fā)生，直接損壞整流器件如IGBT模塊等。從實(shí)際情況看，在PWM整流器電路中，進(jìn)線基波諧振導(dǎo)致過電壓的情況是主要的。

進(jìn)線阻抗與基波是否發(fā)生諧振關(guān)系密切，如果能檢測(cè)出整流器前端進(jìn)線電感和直流母線電容，則可以根據(jù)式（1）計(jì)算出電路的固有頻率，大致掌握是否會(huì)出現(xiàn)基波諧振，這對(duì)于預(yù)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(dǎo)通，向電網(wǎng)注入特定頻率的諧波，根據(jù)檢測(cè)進(jìn)線端電壓和電流的變化計(jì)算得出相應(yīng)的電感，計(jì)算出進(jìn)線等效電感為5.958mH，同時(shí)計(jì)算出等效直流母線電容為2.42mF，可以計(jì)算出理論的固有頻率在42 Hz左右，和進(jìn)線基波頻率50 Hz是比較接近的，那么對(duì)于這個(gè)PWM電路而言是不夠安全的。而在圖4的另一個(gè)例子中，整流器測(cè)量出進(jìn)線等效電感為0.390 mH，同時(shí)計(jì)算出等效直流母線電容為5.53 mF，可以計(jì)算出理論的固有頻率在108 Hz左右，和進(jìn)線基波頻率50 Hz的差距較大，相對(duì)比較安全。這兩個(gè)例子中，前者在反復(fù)多次測(cè)量中就發(fā)現(xiàn)其進(jìn)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(wěn)定，僅有極小的變化。

圖3 PWM整流器電路進(jìn)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(jìn)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(cè)，由于有直流母線電容、電機(jī)的電阻和電感，電機(jī)動(dòng)力電纜的電阻，逆變側(cè)也構(gòu)成RLC串聯(lián)電路，并有諧振的可能性。在PWM整流器電路中，整流側(cè)和逆變側(cè)均構(gòu)成RLC串聯(lián)電路，可看作是兩個(gè)共用C的RLC電路的串聯(lián)，其諧振效應(yīng)會(huì)互相影響。

任何存在PWM波的電路中，來自于動(dòng)力電纜和電機(jī)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(jì)，但在高頻PWM波的作用下卻被放大?，F(xiàn)實(shí)中，寄生電容和電感受到動(dòng)力電纜長(zhǎng)度、是否有屏蔽層、屏蔽連接是否牢固、電機(jī)線圈阻抗、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及接地質(zhì)量等多種因素的影響，實(shí)際進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是比較困難的。例如：同樣一臺(tái)力矩速度閉環(huán)控制的電機(jī)，在靜止力矩保持和額定速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于PWM波的頻率和幅值不同，其動(dòng)力電纜和電機(jī)線圈上體現(xiàn)出來的寄生電容和寄生電感就有很大的不同，而電機(jī)的這種工作狀態(tài)在實(shí)際應(yīng)用中很難準(zhǔn)確掌握，造成了對(duì)寄生效應(yīng)預(yù)測(cè)的困難。基于這種原因，這種寄生電容電感可能有時(shí)會(huì)達(dá)到一個(gè)比較高的水平，會(huì)導(dǎo)致逆變側(cè)諧振電路模型中L和C的大幅度變化，嚴(yán)重影響電路總的固有頻率的穩(wěn)定，因此其作用也絕對(duì)不能忽視。如圖3所示，其理論計(jì)算固有頻率在42 Hz左右，如果再考慮實(shí)際運(yùn)行中必然會(huì)產(chǎn)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(huì)繼續(xù)變化，其實(shí)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(chǎn)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(yùn)行的，既是整流器也是逆變器，最大特點(diǎn)就是無論整流或是逆變，均以輸出電壓和進(jìn)線電流的偏差調(diào)節(jié)信號(hào)作為調(diào)制波，為了保證電流正弦化和單位功率因數(shù)，其直接電流控制信號(hào)均以SPWM波的方式發(fā)出，進(jìn)線電流呈現(xiàn)SPWM的特點(diǎn)，因此在PWM整流器的前端，也必然會(huì)存在寄生電容電感。即：此時(shí)在整流端和逆變端都有寄生電容電感，都會(huì)對(duì)電路的固有頻率產(chǎn)生影響，整流側(cè)和逆變側(cè)的振蕩效應(yīng)互有關(guān)聯(lián)。這一點(diǎn)和傳統(tǒng)的二極管整流器電路是不同的。

5 進(jìn)線阻抗的匹配

從設(shè)計(jì)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(fā)生諧振，而高次諧波也被專門設(shè)計(jì)的濾波器吸收，因此需要進(jìn)線的阻抗越小越好，這樣整流器前端的整體等效阻抗就會(huì)越接近于電抗器本身的電感，越不容易發(fā)生基波諧振。而現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)線阻抗匹配不合適，可能就會(huì)引發(fā)基波諧振。而要進(jìn)線阻抗匹配，需要根據(jù)進(jìn)線等效電感、電容和電阻進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，但由于實(shí)際中很難得到這些基本的數(shù)據(jù)，難度較大。如果驅(qū)動(dòng)裝置接入電網(wǎng)后再進(jìn)行匹配計(jì)算，這種順序則是不正確的。從工程實(shí)踐角度，直接對(duì)進(jìn)線的短路容量進(jìn)行規(guī)定，使進(jìn)線顯示出強(qiáng)電網(wǎng)的特點(diǎn)，即可以達(dá)到阻抗匹配的要求，這種方法簡(jiǎn)單可行，可以滿足實(shí)際的工程需求。

強(qiáng)電網(wǎng)表現(xiàn)為短路容量大、電網(wǎng)阻抗小、固有頻率高、穩(wěn)定性高、不易諧振；而弱電網(wǎng)表現(xiàn)為短路容量低、阻抗大、固有頻率低、穩(wěn)定性低、容易發(fā)生諧振。

一般地，應(yīng)該使Sk（進(jìn)線電網(wǎng)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(shù)要求。

如果同一個(gè)進(jìn)線網(wǎng)絡(luò)中有若干個(gè)PWM整流器，則Pn為若干個(gè)整流器額定功率的代數(shù)和，此時(shí)由于同時(shí)系數(shù)的關(guān)系，可以選擇下限倍數(shù)50。

在一個(gè)已經(jīng)固定的電網(wǎng)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(xiàn)諧振過電壓，即系統(tǒng)短路容量對(duì)大功率PWM整流器額定功率倍數(shù)不足的體現(xiàn)，大量實(shí)踐已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。因此如果進(jìn)線系統(tǒng)已經(jīng)成型無法做任何改變，單獨(dú)給PWM整流器配置一個(gè)合適的進(jìn)線穩(wěn)壓裝置（如電力穩(wěn)壓器）也是一個(gè)退而求其次的方法，實(shí)際效果也比較顯著。一般的原則是：該穩(wěn)壓器的視在功率（kV·A）應(yīng)該大于等于1.27Pn（kW），且同時(shí)應(yīng)滿足穩(wěn)壓器的短路阻抗Uk≤3%。如果設(shè)備中還有其它非PWM整流器所帶的負(fù)載，則要根據(jù)其它負(fù)載的規(guī)定繼續(xù)加大穩(wěn)壓器的視在功率容量。

6 幾種有效的預(yù)防措施

除了對(duì)進(jìn)線進(jìn)行要求和匹配之外，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，以下措施對(duì)減少電路諧振引起的過電壓也是有效的，且實(shí)施比較簡(jiǎn)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(dāng)?shù)淖枘犭娮枘軌蛩p進(jìn)線諧振，避免過電壓。實(shí)踐表明，使用配有衰減電阻的電抗器（HFD）是一個(gè)有效的方法。這種電抗器采用雙線圈設(shè)計(jì)，次級(jí)線圈對(duì)PE加裝適當(dāng)?shù)乃p電阻，使得電抗器具有較強(qiáng)的阻尼作用，可以有效地抑制對(duì)地電壓振蕩，圖5為衰減電阻對(duì)諧振衰減的效果對(duì)比，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，加入阻尼電阻的電抗器對(duì)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(duì)諧振衰減的效果對(duì)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(shè)置時(shí)，整流器會(huì)通過控制IGBT的導(dǎo)通向電網(wǎng)反向輸入電流實(shí)現(xiàn)直流母線降壓，但這種方式對(duì)于直流母線的振蕩過電壓會(huì)顯得反應(yīng)不夠，振蕩過電壓需要阻尼來迅速衰減。電阻模塊具有獨(dú)立于整流器的直流母線電壓監(jiān)測(cè)電路，正常情況下并不起作用，一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)直流母線達(dá)到門檻上限則可以立即通過一個(gè)開關(guān)管（例如IGBT）在DC+/DC-之間接通一個(gè)電阻，通過電阻發(fā)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(jìn)線阻抗、寄生電容電感等參數(shù)與動(dòng)力電纜的長(zhǎng)度和布局有關(guān)，因此要盡可能地縮短動(dòng)力電纜的長(zhǎng)度且不能盤繞，包括設(shè)備電柜到變壓器的距離以及電柜內(nèi)部電纜的長(zhǎng)度。在設(shè)備電柜內(nèi)，進(jìn)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(zhǎng)度盡可能的短且沒有盤繞。

6.4 配置合適的電機(jī)側(cè)濾波器

由于PWM波作用下寄生效應(yīng)的不可消除性，對(duì)于必須使用的較長(zhǎng)的電機(jī)動(dòng)力電纜，可以在逆變器和電機(jī)之間配置合適的輸出電機(jī)側(cè)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(cè)的阻尼，減少諧振效應(yīng)。

7 結(jié)論

由于三相PWM整流器電路的振蕩電路效應(yīng)作用，因此電路中瞬態(tài)過電壓更多地是來自電路諧振，特別是進(jìn)線基波諧振。這和傳統(tǒng)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(yīng)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(jìn)線阻抗匹配的因素對(duì)諧振效應(yīng)影響最大，其次是電路中寄生電容電感的影響。在實(shí)際的應(yīng)用中，硬件配置需要注意上述因素，并對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)線指標(biāo)做出一些具體的要求，使得進(jìn)線阻抗匹配合理。實(shí)踐證明，注意了上述因素并采取有效措施，可以很好地預(yù)防過電壓現(xiàn)象，大大降低PWM整流器電路瞬態(tài)過電壓的發(fā)生，更好地體現(xiàn)三相PWM整流器的優(yōu)點(diǎn)。