三相PWM整流器的進線電感和直流母線電容識別

張紹軍

（西門子工廠自動化工程有限公司西安分公司，陜西 西安 710065）

三相六開關電壓型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，其原理如圖1所示。近些年來，隨著對高性能驅動的需求，以及對節能環保和電磁兼容性要求愈加嚴格，三相六開關電壓型PWM整流器得到了越來越多的重視和實際應用。

圖1 三相PWM整流器驅動系統拓撲結構

三相PWM整流器為電流環和電壓環的雙閉環控制，對這兩個控制環精確控制的前提是需要獲得精確的進線電感數值和直流母線電容數值，因此在整流器正式工作之前的這種識別工作是非常重要的。經過進線電感和直流母線電容準確識別之后，PWM整流器的控制參數能得到進一步優化，同時可靠性得到了提升。（為敘述方便起見“進線電感和直流母線電容識別”以下簡稱“識別”。）

1 進線電感和直流母線電容的作用

對于PWM整流器的電流環，進線側電感指標非常重要，電感數值不僅影響到電流環的動靜態響應和阻尼特性，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上。在功率因數為1時，PWM整流器網側控制電壓幅值Vp滿足以下公式：

公式（1）中：

Vp—整流器網側控制電壓的幅值；

I—交流電源的電流幅值；

ω—交流電源電壓的角頻率；

L—交流側進線電感；

E—交流電源電壓的幅值；

對于Boost拓撲整流器，受元器件額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，進線電感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整流器的進線電感較小時輸入輸出功率可以更大；進線電感越大，則PWM整流器輸入輸出功率越小［1］。例如：額定功率120kW的PWM整流器的進線電感理論值就只有36kW的PWM整流器進線電感理論值的30%左右。此外進線電感過大會降低電路固有頻率，帶來“進線基波諧振”問題［3］。

直流母線電容可以緩沖交流測和直流負載間的能量交換，且穩定直流側電壓抑制直流側的諧波電壓［1］。但如果電容數值過大，在電壓環增益維持不變的情況下，則會影響電壓環的動態特性。

綜上所述，對于PWM整流器，進線電感和直流母線電容都應該滿足一定的條件。現場實際如果和缺省設置值有較大的不同就必須要調整電流環電壓環的控制參數。

2 進線電感和直流母線電容的構成

目前PWM整流器驅動系統主要有兩種型式：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，其標稱的電感和直流母線電容嚴格來說并不非常精確，這主要是因為沒有考慮實際的電網電感和使用情況。

PWM整流器必須配套對應的電抗器，電抗器的電感數值一般被設置為缺省的進線電感值。但實際現場中對于整流器而言，由于車間電網電感的存在，“整流器的進線總電感=電抗器電感+電網電感”。電抗器電感數值可以由制造工藝保證，但電網電感在實際應用中卻很難在開始階段就能預測。電網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、動力電纜等。由于電網的強弱不同，在不同的車間環境里這些因素差異很大。

對于整流器和逆變器分開共用直流母線的驅動型式（如圖2所示），在實際應用中，逆變模塊是根據負載電機數量而定，電機數量可多可少，對應的模塊數量則不同，同時驅動組中還可能因為工藝需要配置有電容模塊或者制動模塊（內含較大電容）等，那么具體到不同的PWM整流器驅動系統，直流母線總電容也是不同的。例如一臺額定功率120kW的PWM整流器，既可以在某設備中的逆變側帶有4個較小功率的電機，也可能在另外一臺設備中逆變側帶有2個較大功率的電機且還安裝有1個電容模塊，那么雖然同樣為120kW的PWM整流器，實際所帶的直流母線電容實際可能差異很大。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，甚至可以減少電機數量，這些因素都會帶來驅動裝置實際電容數值的變化。

圖2 共直流母線驅動型式

因此對于PWM整流器驅動系統，通常經過識別后才能得出當前使用現場的、整流器自身比較精確的進線電感和全部直流母線電容數值，才能精確地對電流環和電壓環進行控制，充分發揮其特性。

3 識別的應用場景

一般來說，以下情況需要在PWM整流器正式工作之前進行識別操作：

（1）PWM整流器驅動裝置到達實際使用現場全部連接完畢，第一次正式上電之后。

（2）驅動組中模塊數量變化之后。例如負載在原設計基礎上增加了逆變側的用于驅動電機的模塊，或者電容模塊等，當然也可能是在原設計基礎上減少了電機和模塊的數量。

（3）供電電網進行了擴容（如增大了變壓器），或者同一個供電電網中增加了某些大功率負載，導致可能會使進線電感產生較大的變化。

上述場景都是PWM整流器系統的使用環境發生了較為重大的變化，其控制基礎數據需要根據使用環境進行調整。

4 SINAMICSS120的識別功能

SINAMICSS120（以下簡稱S120）作為新一代基于工業以太網通訊的智能驅動裝置，包含PWM整流器裝置。S120的整流器在控制單元（CU）的控制下可以進行這種識別操作［2］。這種識別功能不僅可用于S120驅動系統中的PWM整流器，對于S120驅動系統中的非PWM整流器也同樣適用。其過程為：控制器在驅動加使能后，控制IGBT的導通，經過電抗器向電網注入電流諧波，并同時給直流母線充電，這個過程大約持續10-15s左右的時間。根據檢測整流器進線端電壓和電流的變化計算得出進線電感，并檢測直流母線電壓的變化率計算出直流母線的電容量。識別過程完成后，系統自動修改參數P3421（整流器進線總電感），P3422（直流母線電容）和P3424（電網電感）中的實際數值，如圖3所示。并調整部分控制環數據。這個過程可以多次反復進行，以觀察測量數據是否穩定。

圖3 進線電感和直流母線電容識別后數據

通過整流器參數P3410設置不同的數值，S120驅動的識別功能提供了若干種識別方式可以使用，常用的有以下2種方式供選擇：（1）通過電感適配保存識別和控制器設置；（2）復位、檢測并保存帶電感適配的控制器設置。

方式（1）是在下一次給出脈沖使能時，觸發總進線電感和直流母線電容識別，這個過程包含2個電流強度不同的測量循環，識別出新的數據后自動保存，并重新計算兩個控制器的控制數據，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之前先將當前電感和電容的參數數值復位為缺省值，再開始測量循環。一般常用方式（2）作為使用現場的識別方法。

從工程實踐經驗看，可以通過多次識別來觀察電網的強弱。例如在不同時間點、不同電網負載情況下進行反復識別測試，如果識別測試出來的電感數值差異較大，則說明這個電網的容量較小，是一個典型的弱電網。例如某個案例中，一小時的時間內測出的進線電感數值分別為5.958mH、118.237mH、220.329mH、2.258mH，最大相差接近一百倍，則表明這是一個非常弱的電網，其實并不適合PWM整流器的運行，如果非要運行則應該采取一些措施，如單獨增設合適的變壓器等。反之，如果反復多次識別測試電感數值比較穩定變化很小，則說明電網容量大，這種強電網更適用于PWM整流器的運行。

5 識別之后的控制器參數調節

S120驅動的PWM整流器控制圖如圖4所示，電壓環為控制外環，電流環為控制內環。在進線電感和直流母線電容識別之后，S120驅動的CU會根據電流環和電壓環的要求，自動調整部分參數，以更好地適應實際現場電流環和電壓環的控制。

圖4 S120驅動PWM整流器雙環控制圖

由于逆變側模塊中電容的作用，最終識別出的電容數值肯定也要比缺省設置的電容數值要大，現實中增大數倍都是常見的。同時由于電網電感一定大于0，最終識別出的總進線電感數值一定比缺省設置電感數值要大，電網越弱進線電感越大。因此識別后P3421和P3422兩個參數實際都會增加。

對于上述兩個控制環，S120驅動涉及調整參數主要包含：P3555（電壓控制器快速介入比例系數），P3560（電壓控制器比例增益），P3562（電壓控制器積分時間），P3615（電流控制器比例增益），P3617（電流控制器積分時間），P3620（電流控制器適配閾值比例系數）和P3622（電流控制器適配降低系數）等。

在識別操作之后，CU根據電感和電容實際數值，以及整流器IGBT模塊的額定電流等，經過特定算法計算后進行綜合調整。但是并非上述每個參數都會被調整，以下舉例說明。

案例：120kW的PWM整流器系統，識別前缺省值P3421=0.176mH，P3422=4mF，識別 后 P3421=0.225mH，P3422=7.97mF，CU自動調整P3555從缺省0提高到82%，P3622從缺省80%降低到78%。

由于實際直流母線電容增大到缺省的1.99倍，原電壓環如果不進行調整則特性會明顯下降，額定功率120kW的PWM整流器驅動組最大直流母線電容為20mF，7.97mF遠低于20mF，此時需要、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，使得電壓環反應更為迅速，則通過識別優化后電壓環的特性得到了提升。

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

6 結論

由于現場實際條件和理論缺省設置之間的差異，只有能精確識別現場進線電感和實際直流母線電容的PWM整流器驅動系統，才能真正做到電壓環和電流環的精確控制，否則其雙環控制效果會受到影響。大量實踐表明：三相PWM整流器在實際使用現場進行進線電感和直流母線電容識別，并自動優化電壓控制器和電流控制器是非常必要的，識別優化后特性和可靠性均有所上升，進線相位報警也有所減少。