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。
3.2 输出电压控制结构
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。www.55dianzi.com电气自动化技术网
(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[2][3]。
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;
αi—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180o(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，则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δφ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
