1 引言
近年来，我国的钢铁行业中引进了三菱电机制造的交-直-交型pwm矢量控制变频调速装置。在该类设备中三菱电机设计开发的各种容量中(二电平、三电平)都使用高功率因数控制技术的整流器。这种整流器可获得高功率因数(功率因数为1.0)及低谐波分量的性能。高功率因数的实现，降低了对供电电网容量的要求和污染，省略了供电系统中的无功补偿电路和谐波滤波器安装要求。也可以相对减小整流变压器的容量。克服了串调逆变装置的系统功率因数低、动态响应慢的突出弱点。
2 高功率因数控制的提出
所谓功率因数是指电路输入的有功功率(p)与视在功率(s)的比值，即:
pf = p/s (1)
一般认为输入的电网电压为正弦波, 则pf可表示成:
pf =ε×cosψ１ (2)
上式中ε为输入电流波形的失真因素,cosψ１基波相移因素。显然功率因数大小取决于上面两个因素。对于普通的整流器,由于主电路的输入侧一般是经三相桥式不控整流器向中间直流环节的滤波电容充电，然后通过pwm控制下的逆变器输入到交流电动机上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高，但是由于采用三相桥式不控整流器使得功率因数低。它带来的主要危害:
(1) 输入电流大;
(2) 由于输入电流包含大量的高次谐波，在线路阻抗上形成干扰电压，造成严重的谐波污染。
因此，消除对电网的谐波污染，控制用电设备的功率因数，实现能量的再生利用等控制技术,受到了广泛重视。而三菱电机的melvec的高功率因数整流器就是一种典型的应用。
3 高功率因数整流器的控制技术
三菱电机公司生产的高功率因数整流器(melvec)，应用双pwm的控制技术。其拓扑结构如图1所示，主回路采用了交-直-交型的电路结构[1]，包括整流器主回路、输入变压器、变频器主回路及acm(交流电动机)。其中前者是采用高功率因数控制[2]，后者是矢量控制，而整流器在控制上采用了和逆变器相同的pwm的方式，由于pwm整流器闭环控制作用，能使电网电流与电压同频率、同相位，实现了能量双向流动，进而消除了网侧谐波污染，从控制上保证了高功率因数的实现。
图1 melvec电路结构图
3.1 整流变压器
melvec交流传动系统中的整流变压器和普通的变压器不同，普通变压器的漏感小于10%，而melvec中整流变压器的漏感为20%。melvec整流器正是利用了这个大的漏感作为交流电感来实现高功率因数的控制。因此，它是一个为高功率因数控制而设计的特殊变压器。
3.2 整流器主回路
由上述可知，它并非通常意义的整流器，从主回路电路结构上来看，它和逆变器是非常相似的(对称等价构造)。因此整流器工作原理也和普通的整流器不同，可近似看作逆变器运行。它使整流器三相输入电流中的谐波成份变小，电流波形失真因素近似为“1”，这样就解决了因输入电流畸变而引起的功率因数下降的问题。
3.3 高功率因数整流器的动作、控制原理
如图2所示，如系统电压为vs，整流器为了控制期望的输入电流值，而通过pwm方式调节装置的输入电压vc、输入电流is，这样输入变压器漏电感l的两端电压δv为:
δv＝vs－vc＝jωl×is (3)
进而输入电流is可以表示为:
is＝δv/ jωl (4)
由式(3)可知，只要使整流器输入电压vc(整流器中唯一可直接控制量)改变就可控制δv，显然由式(4)可达到控制is的目的。由于整流器输入电压vc的幅值和相位可用pwm控制器而任意改变。这样就可以控制系统电压vs和整流器输入电流is的任意相位。从而使得整流器系统电压vs和输入电流is的相位保持一致，实现了基波相移因素为“1”。图2示出整流器工作在第一象限时两种功率因数情况下的电压、电流矢量图。显然，只要适当的调节vc的相位及幅值，能使其功率因数为1。
在三菱电机的高功率因数整流器中，为了确保系统电压vs的相位基准，相位检出是采用pll(phase locked loop)锁相环进行控制。
图2 电压、电流矢量的关系
3.4 控制系统
高功率因数整流器的控制包括对整流器输出电压的控制及对整流器输入三相交流电流波形和相位的控制。因为设计了特殊的整流变压器及与逆变器完全相同的整流回路，melvec的高功率因数整流器实际上是把其负载回路等效为一个异步电动机来进行控制。也就是说，这样的控制相当于逆变器中的矢量控制。
首先是将输入的三相电流ir，is，it，经3相/2相的变换,将(r，s，t)坐标系中的变量变化到固定坐标系(α,β)中，随后通过坐标旋转变换为旋转坐标系(d，q)中的变量。这里坐标系的定向与电动机的矢量控制不同，不是通过气隙磁场来定向，而是通过保持q轴与vs的方向一致来进行，其(d，q)坐标矢量关系如图3所示。通过这样的坐标变换就可将固定坐标系下的交流量变化为旋转坐标系下的直流量来进行控制，得到的旋转坐标系下的控制量，再通过坐标反变换转化为固定坐标系下的控制量去控制主回路的工作。
图3 d，q坐标的矢量图
在(d，q)坐标矢量图中，iq是输入电流is的有功分量电流，id是is的无功分量电流。在功率因数的控制中，如果能使无功分量电流id＝0，则功率因数就等于“1”，也就达到了高功率因数的控制目的。
3.5 控制系统构成[1]
(1) 电流控制系统
电流控制系统的简单框图及幅频特性如图4所示。图4中ccq是为了控制有效分量电流iq与指令值iq*相等而设的电流控制器，电流控制器的输出是电压指令vq*，使其附加在输入的变压器的漏感上。这个电压通过输入电抗的滤波后生成为有效分电流iq。图4中lpu是输入侧一相交流电抗的分电流,它是整流器额定电压及有效分量电流的合成值。幅频图中的ωcc是电流响应频率。
图4 电流控制系统的简单框图及幅频特性
(2) 输出直流电压控制系统
输出直流电压控制系统的简单框图及控制特性如图5所示。图5中vc是电压控制器，作用是控制直流电压vdc使其和指令值vdc*一致。电压控制器的输出是有效分电流指令iq*。由图5可知，在实际的控制系统中，直流电压vdc和有效分电流间存在延迟。系统控制特性图中的ωvc是直流电压控制系统的响应频率。
图5 输出直流电压控制系统的简单框图及控制特性
4 关于高次谐波电流
采用高功率因素整流器场合，系统会产生高次谐波电流，如果使用pwm电压型的变换器、则会有和变频器同样的电流产生，这样高功率因素整流器就产生了高次谐波电流。
所谓高次谐波是相对基波频率而言的高频成分。对电源来讲就是除了60hz或50hz的成分以外的多余的频率成分。本装置采用pwm控制的高功率因素整流器的输入电压波形、和变频器电压发生的原理相同都是矩形波。因电压是矩形波，于是就产生了谐波电流。从整流器控制原理上可知，电压差通过电感，使谐波电流因电感受到限制，并且使其在使用中可忽略不计。
5 结束语
本文介绍的高功率因数整流器已在宝钢三期工程的热轧厂、宝钢冷轧薄板厂、上海一钢厂的不锈钢工程等得到应用。这里就有关控制技术方面作了探讨，希望在今后的工作中学习应用类似技术及了解掌握先进技能时有所帮助和启发。因为目前我国使用的三菱大功率变频装置中相当一部分的整流器，都已应用了这种高功率因数的控制技术。在宝钢3＃热轧线上也将应用这种控制技术。
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