交－直－交变频器的IGBT（IGCT）整流／回馈电源

（天津大学，天津 300072）

1 引言

交－直－交电压型变频器，含两电平低压变频器、中点钳位三电平中压变频器及H桥级联中压变频器，已得到广泛应用，特别是在交流电动机调速传动领域。这些变频器都由交－直整流器及直－交逆变器两部分组成。在快速制动或位势负载下放重物时，电动机处于再生发电工作状态，机械的动能或重物的势能将通过电动机转变成电能返回电源。电压型逆变器允许双向功率流动，可以把电动机的再生能量回送至直流母线上的贮能电容，能不能进一步回馈交流电网则取决于交－直整流器的型式，看它是否允许双方向功率流动。

常用的交－直整流电源有3类：不可控整流电源、晶闸管整流／回馈电源及IGBT（IGCT）PWM整流电源（常称有源前端AFE）。

不可控整流电源主要指二极管整流电源。有时为了限制开机时贮能电容C的充电电流，改用晶闸管可控整流电源，但在充电结束后维持触发延迟角α＝0°不变，由于这时已不控制，所以它也属于不可控整流电源类。这类电源简单、经济、可靠、应用很广，主要缺点是不能回馈电网，只能通过制动单元把逆变器送来的再生能量消耗在制动电阻中，适合用于再生能量不大，制动不频繁场合。由于直流母线上接有大贮能电容，造成直流母线电压抬高，整流输出电流断续，整流管导电时间缩短，流过整流管的电流及交流进线电流波形变为两个很窄的尖脉冲电流波，导致谐波大，功率因数差，并给整流管带来大的电流冲击。为解决这问题：用于低压变频器时宜在整流桥网侧加装2%～4%的交流进线电抗；用于中点钳位三电平中压变频器时要求整流变压器的漏抗为8%左右，由于这种变频器有±2组直流母线，大多采用12或24脉波整流来进一步减小谐波；用于H桥级联中压变频器时要求整流变压器的漏抗为6%左右，这种变频器的脉波数是6N（N为H桥串联级数），脉波数高，谐波小。

晶闸管整流／回馈电源及PWM整流电源都允许双方向功率流动，既能整流向直流母线供能，又能回馈把再生能量送回电网，适合用于再生能量大，制动频繁的场合。

晶闸管整流／回馈电源由正反两个可控整流桥（无环流可逆）组成，整流时正桥工作，输出正向直流电流，回馈时反桥工作，直流电流反向。这种电源使用晶闸管，便宜。它的最大问题是存在回馈桥逆变失败的可能，若在回馈桥工作期间突然交流电源故障，进线电压降低过多，将导致逆变颠覆，直流电源短路，烧熔断器，这种故障曾在现场多次发生。另外它的结构和控制也略麻烦。6脉波整流网侧谐波大，大功率装置常用12脉波整流，特别是用于中点钳位三电平中压变频器时。由于复杂，24脉波整流少用。

IGBT（IGCT）PWM 整 流电 源 由IGBT（IGCT）桥和交流进线电抗构成，采用PWM控制，是逆变器的逆应用。这种电源具有理想的性能：双方向功率流；正弦波网侧电流（一个开关周期平均值）；功率因数超前／滞后可控，可以为1；电网异常降低时关断全部开关器件，无颠覆问题。这种电源的主要问题是价高（使用IGBT或IGCT器件，进线电抗大）、控制和调试麻烦，从而影响其应用。用于大功率中压变频器时，由于开关器件的开关频率低，网侧谐波加大，效果将打折扣。很多应用场合希望装置的逆变功率小于整流功率，这种电源难实现（晶闸管整流／回馈电源有逆变功率是整流功率的1／2和1／4之产品）。

针对上述两种双向功率流电源各自的优缺点，西门子公司在其Sinamics系列变频器中推出一种新的双向功率流电源——IGBT整流／回馈电源，性能和价格都居于上述两种之间，给使用者多一种选择。这电源也由IGBT桥和交流进线电抗构成，但不采用PWM控制，每个IGBT在一个交流电源周期中只导通和关断一次，于自然换流点（α＝0°）处开始导通，持续120°后关断。进线交流电压高于直流母线电压时，电流经与IGBT反并联的续流二极管从交流电源流向直流母线——整流；当进线交流电压低于直流母线电压时，电流经IGBT 从直流母线流向交流电源——回馈。它的控制和调试特别简单，没有移相或PWM，也没有任何闭环调节。这电源有许多特点，笔者认为它在某些场合，特别是在中压变频、公共直流母线及4象限H桥级联中压变频领域，应该有它的一席之地，故在本文中予以介绍。

2 晶闸管整流／回馈电源及PWM整流电源 （AFE）

2.1 晶闸管整流／回馈电源

晶闸管整流／回馈电源由正反两个可控整流桥（无环流可逆）组成，整流时正桥工作，输出正向直流电流，回馈时反桥工作，直流电流反向。它有2种电路结构：一种是对称可逆结构，示于图1a；另一种是不对称可逆结构，示于图1b。

图1 晶闸管整流／回馈电源电路Fig.1 Thyristor rectifier／regenerative unit

对称结构的优点是结构紧凑，可以用可逆直流传动的标准整流装置，缺点是触发延迟角α≥30°，导致进线功率因数和输出直流电压比不可控整流降低20%左右（含调节裕量）；为获取逆变器要求的直流电压，整流桥的交流进线电压要适当升高，导致其值不标准，需配整流变压器。不对称结构的整流桥和回馈桥分开，整流桥工作于α＝0°，为防止逆变颠覆回馈桥工作于触发超前角β≥30°，需用自耦变压器AT把回馈桥的进线电压升高20%。不对称结构的特点是：交流进线电压标准，可以不用整流变压器；功率因数高；若回馈功率小，回馈桥和自耦变压器容量可以减小，但自耦变压器的引入使主电路复杂化。

这类电源的控制电路和无环流可逆直流传动一样，由移相触发、无环流逻辑、直流电流内环和电压外环双闭环调节等部分构成，较麻烦。

晶闸管整流／回馈电源的最大问题是存在回馈桥逆变失败的可能，若在回馈桥工作期间突然交流电源故障，进线电压降低过多，将导致逆变颠覆，直流电源短路，烧熔断器。这种故障曾在现场多次发生。

用于低压变频时，该电源多采用6脉波整流，网侧谐波大，大功率装置常采用12脉波整流，谐波大大减小。用于三电平中压变频时，由于逆变器要求±2组直流电源，该电源宜采用12脉波整流。由于复杂，24脉波整流很少用。

2.2 PWM整流电源（有源前端AFE）

PWM整流电源（AFE）由IGBT（IGCT）桥和交流进线电抗构成，采用PWM控制，是逆变器的逆应用。使用IGBT的AFE主电路示于图2。图2中，除三相IGBT桥外，还有贮能电容的预充电环节（SA和RP）及滤去开关频率谐波的进线LC滤波器，滤波器中的电抗器LA是实现升压变换所需的进线电抗器Xi。

图2 AFE主电路Fig.2 AFE main circuit

AFE具有如下理想的性能：

1）电网侧输入电流为正弦波，无功从感性到容性连续可调（包括功率因数＝1）；

2）双方向功率流，既可整流，又可回馈；

3）可在不稳定的电网中可靠工作：在电网电压大幅度波动时仍维持直流母线电压不变；在电网故障，电压突然降低过多或完全掉电时，立即关断所有IGBT，AFE变成二极管整流桥，不存在逆变颠覆问题，不会出事故。

AFE的问题如下。

1）价格贵（约等于逆变器价格），制约了它的推广应用，主要用于对调速回馈性能及电网质量要求高的场合。价高的原因有2个：一是使用IGBT或IGCT器件，比晶闸管贵许多；二是交流进线滤波器大且贵。AFE采用PWM控制，IGBT或IGCT桥交流输入端是调制方波，脉动幅值大，为限制进线电流脉动率要求进线电抗Xi大，用于两电平低压变频时Xi≈10%，用于三电平中压变频时Xi≈20%，为吸收开关频率的谐波除Xi外常还装设滤波电容（见图2）。若AFE由单独变压器供电，Xi可以用变压器漏抗来代替，但它必须是特殊的高漏抗变压器，这时在变压器原方装设电容滤波。

2）AFE的控制由PWM调制、电压外环和电流内环双闭环调节构成，其中电流环是基于矢量变换的三相交流电流调节系统，复杂且调试麻烦。

3）随装置功率加大，特别是高压开关器件的应用，开关损耗大大增加，PWM控制要求较高开关频率，从而影响AFE装置出力。现在高压开关器件的开关频率都限制在几百Hz，要调制出50 Hz交流电压，谐波很大，即便采用同步且对称的调制策略，例如特定消谐法，其网侧谐波状况也只大致与18脉波整流相当。上述2个原因使AFE的优良性能大打折扣。ABB公司ACS－6000系列中IGCT三电平AFE的数据示于表1。

表1 数据表Tab.1 Data table

由于采用特定消谐PWM策略，第1个未消除的谐波将被放大，二极管整流不放大，所以实际的相当脉波数比表中值要低。从表1中可以清楚地看到开关频率对容量的影响及谐波情况。

平均开关频率300Hz的三电平AFE之网侧电流波形示于图3，谐波状况并不理想。

图3 三电平AFE之网侧电流波形（平均开关频率300Hz）Fig.3 Grid－side current waveform of 3－level AFE（average switching frequency 300Hz）

4）实现逆变功率小于整流功率要求困难。

3 IGBT（IGCT）整流／回馈电源

IGBT（IGCT）整流／回馈电源的主电路与AFE基本相同，也由IGBT或IGCT桥和进线电抗Xi构成，绘于图4（贮能电容预充电环节未绘）。

图4 IGBT整流／回馈电源主电路Fig.4 IGBT rectifier／regenerative unit main circuit

与AFE不同，整流／回馈电源不采用PWM控制，它的开关器件只用作为电网的同步开关，每个开关在一个交流电源周期中只导通和关断一次，于自然换流点（α＝0°）处开始导通，持续120°后关断，图5为三相电源相电压及桥中6个开关器件的门极驱动信号。从图5中看到，桥中每个相支路的上下2个开关器件的导通时间彼此错开，间隔60°，无“直通”可能，不必像AFE那样另外设置防直通的“死时”，工作可靠。该电源器件的开关频率只有50Hz，远低于AFE，有助于提高装置出力。

图5 三相相电压及6个开关器件的门极驱动信号Fig.5 3－phase voltage and gate－drive signals of 6switching devices

与二极管整流不同，在电网线电压瞬时值小于直流母线电压Ud时，该电源允许电流从直流母线，经开关器件和进线电抗流向电网。在空载、整流和回馈3种状态下，开关器件VA1导通期间的Ud、线电压uiAC和uiAB及A相电流iiA波形绘于图6。在这期间uiAC或uiAB与直流正母线接通，它们与Ud之差加至电抗Xi，线电压＞Ud时iiA向正方向变化，线电压＜Ud时iiA向负方向变化。空载状态时（见图6a），Id.I＝0（Id.I为直流母线上逆变器侧直流电流），整流电压Ud＝Ud0＝1.35Ui.L（Ud0为理想空载整流电压，Ui.L为电网线电压有效值），线电压与Ud之差的正负伏－秒面积相同，iiA时正时负，平均值＝0，没有功率流向直流母线或返回。整流状态时（见图6b），Id.I＞0，整流电压Ud略低于Ud0（＜5%），正伏－秒面积加大负面积减小，iiA正向加大负向减小，直至无反向电流，平均值＞0，由于这时线电压＞0，故功率从电网流向直流母线。回馈状态时（见图6c），Id.I＜0，整流电压Ud略高于Ud0（＜5%），负伏－秒面积加大正面积减小，iiA负向加大正向减小，直至无正向电流，平均值＜0，由于这时线电压＞0，故功率从直流母线流向电网。从上述3种状态分析知，整流和回馈状态的转换及流过功率的大小都取决于Ud的变化，依据逆变器的要求（Id.I值）自动实现，不需要任何闭环调节，控制电路特别简单。3种状态的仿真结果示于图7，图7中上部是三相电网相电压波形，下部是相电流波形。

图6 3种状态下VA1导通期间的Ud、线电压及A相电流波形Fig.6 Ud，line voltage and current of phase A under 3situations when VA1is on

从上述分析还知，加在进线电抗Xi上的脉动电压的幅值很小，故需要的电抗值较小，对于低压IGBT装置取Xi≈4%，对于中压IGBT装置取Xi＝5%～8%，这些值都与相应容量的通用变压器的漏抗值相同，因此可采用通用变压器作为整流器，不必像AFE那样必须使用高漏抗变压器。（35kV，10MV·A电力变压器的阻抗电压为7.5%；10kV，6.3MV·A电力变压器的阻抗电压为5.5%）

在电网故障，电压突然降低过多或完全掉电时，立即关断所有IGBT，该电源变成二极管整流桥，不存在逆变颠覆问题，不会出事故。

图7 3种状态的仿真结果Fig.7 Simulation results under 3situations

如果要求装置的整流功率大于逆变功率，可以在IGBT或IGCT桥旁并联一个二极管整流桥，主电路绘于图8。图8中，Xi是进线电抗，XB.1和 XB.2是均流电抗。取XB.1＝XB.2＝0.5%时，在IGBT（IGCT）和二极管压降差25%（二极管压降小）时，仍能取得较好均流效果，仿真结果示于图9。（造成回馈时二极管桥有很小脉动电流的原因是XB.1的感生电压）

图8 并联二极管桥的整流／回馈电源Fig.8 IGBT rectifier／regenerative unit with paralleled diode bridge

图9 并联二极管桥后的仿真波形（整流功率＝2×回馈功率）Fig.9 Simulation results of the unit with paralleled diode bridge（rectifying power＝2×regenerative power）

扩展整流容量的整流／回馈电源很适合用来作为公共直流母线的交－直电源，因为在公共母线下的一台或几台电动机再生工作而其他电动机电动工作时，再生的能量可以通过直流母线流入正在电动工作的电动机，从而大大减小需要回馈电网的功率。

由于开关器件的门极驱动脉冲不移相，所以这整流／回馈电源的网侧功率因数与接有同样进线电抗的不可控整流电源基本相同，都比较高。该电源的网侧电流谐波也与不可控整流电源类似。如果只有一个整流／回馈桥，属6脉波整流，谐波较大；如果一个整流／回馈桥容量不够，需要2个桥串联或并联工作时，宜采用12脉波整流，谐波将显著减小，但这2个桥的交流进线需是整流变压器彼此隔离的两组副方绕组，且相位差30°。三电平逆变器要求±2组直流电源，宜采用2个整流／回馈桥串联的12脉波整流方案。如果容量大，这±2组直流电源各用一个整流／回馈桥容量不够，需要每套电源2个桥时，可以采用24脉波整流方案，但要求整流变压器有4组副方绕组，且相位差15°。6脉波、12脉波和24脉波整流的网侧电流仿真波形示于图10。整流状态谐波小，24脉波在整流状态的波形非常好（比使用高压开关器件的三电平AFE好），回馈时稍差。

图10 6，12和24脉波整流的网侧电流波形Fig.10 Grid－side current waveforms of 6，12and 24pulses units

H桥级联变频器是在我国应用最广泛的中压变频器，它的主要优点之一是，通过多级H桥串联及多组变压器副方绕组移相，使其交－直变换部分获很高等效脉波数，网侧电流谐波非常小。原来，H桥中的交－直变换都用不可控整流，变频器不能回馈电动机的再生功率。为满足用户的4象限运行需求，近年来许多公司都在开发能回馈的产品，方法是用IGBT的AFE代替不可控整流。这种中压变频器中，H桥的数量庞大，每个H桥一套AFE，大量的AFE给控制和调试带来巨大麻烦和困难。如果每个H桥中的交－直变换都改用IGBT整流／回馈电源，同样可以实现回馈，它的主电路与AFE相同（对变压器漏抗的要求比AFE低），但控制和调试变得十分简单，与不可控整流差不多。IGBT整流／回馈电源的网侧电流谐波与不可控整流基本相同，既然使用不可控整流都能使H桥级联变频器获非常小的网侧电流谐波，改用IGBT整流／回馈电源必然会取得同样效果。

从上述介绍可以归纳出IGBT（IGCT）整流／回馈电源的特点。

1）允许双方向功率流动，既可整流又可回馈。

2）不用PWM，无闭环调节，控制和调试特别简单。

3）桥中每个相支路的上下两个开关器件的导通时间彼此错开，间隔60°，无“直通”可能，工作可靠。

4）在交流电源故障或进线电压降低过多时，可通过关断所有IGBT来避免逆变颠覆发生。

5）可以通过并联二极管桥扩展整流功率，实现整流功率＞回馈功率要求，很适合用来作为公共直流母线的交－直电源。

6）网侧功率因数及电流谐波与不可控整流电源基本相同，可以通过采用12或24脉波整流方法来减小谐波，特别是用于三电平变频时。

7）与晶闸管整流／回馈电源相比：①使用IGBT或IGCT器件，比晶闸管贵；②解决了晶闸管整流／回馈电源的逆变颠覆问题；③不需要自耦变压器，无闭环调节，控制和调试比晶闸管整流／回馈电源简单。

8）与AFE相比：①虽然二者主电路差不多，但比AFE便宜，主要原因是进线电抗小（低压的本电源Xi≈4%，中压为5%～8%；低压AFE的Xi≈10%，中压为20%左右），其值与相应容量的通用变压器的漏抗值相同，可采用通用变压器作为整流变压器，不必像AFE那样必须使用高漏抗变压器，另外控制和调试简单也是原因；②开关频率仅50Hz，比AFE低很多，可提高装置出力，特别是使用高压开关器件的装置；③网侧电流谐波不如AFE，但可通过采用12或24脉波整流方法来减小谐波，24脉波整流状态的谐波甚至比中压AFE小。

9）适合用于4象限H桥级联中压变频器，比现用的AFE方案简单得多。

4 结论

为实现4象限运行，要求变频器的交－直变换能允许双方向功率流动，有2种常用的电源：晶闸管整流／回馈电源及AFE，它们各有优点及问题，都不令人满意，前者便宜但存在逆变颠覆隐患；后者性能好但昂贵，且中压装置的性能下降。本文介绍一种新的4象限电源——IGBT整流／回馈电源，性能和价格都居于上述两种之间，给使用者多提供一种选择。它价格适中、控制特别简单，无逆变颠覆隐患，开关频率低有助于提高输出能力，容易实现整流功率＞回馈功率要求，网侧谐波比AFE大，但可通过采用12或24脉波方法来减小。上述特点将使它在市场上获得一席之地，特别是在中压变换、公共直流母线及4象限H桥级联中压变频领域。

［1］西门子公司.SINAMICS－Low Voltage Engineering Manual［Z］.2008.