（天津大學，天津 300072）

1 引言

交－直－交電壓型變頻器，含兩電平低壓變頻器、中點鉗位三電平中壓變頻器及H橋級聯(lián)中壓變頻器，已得到廣泛應用，特別是在交流電動機調速傳動領域。這些變頻器都由交－直整流器及直－交逆變器兩部分組成。在快速制動或位勢負載下放重物時，電動機處于再生發(fā)電工作狀態(tài)，機械的動能或重物的勢能將通過電動機轉變成電能返回電源。電壓型逆變器允許雙向功率流動，可以把電動機的再生能量回送至直流母線上的貯能電容，能不能進一步回饋交流電網(wǎng)則取決于交－直整流器的型式，看它是否允許雙方向功率流動。

常用的交－直整流電源有3類：不可控整流電源、晶閘管整流／回饋電源及IGBT（IGCT）PWM整流電源（常稱有源前端AFE）。

不可控整流電源主要指二極管整流電源。有時為了限制開機時貯能電容C的充電電流，改用晶閘管可控整流電源，但在充電結束后維持觸發(fā)延遲角α＝0°不變，由于這時已不控制，所以它也屬于不可控整流電源類。這類電源簡單、經(jīng)濟、可靠、應用很廣，主要缺點是不能回饋電網(wǎng)，只能通過制動單元把逆變器送來的再生能量消耗在制動電阻中，適合用于再生能量不大，制動不頻繁場合。由于直流母線上接有大貯能電容，造成直流母線電壓抬高，整流輸出電流斷續(xù)，整流管導電時間縮短，流過整流管的電流及交流進線電流波形變?yōu)閮蓚€很窄的尖脈沖電流波，導致諧波大，功率因數(shù)差，并給整流管帶來大的電流沖擊。為解決這問題：用于低壓變頻器時宜在整流橋網(wǎng)側加裝2%～4%的交流進線電抗；用于中點鉗位三電平中壓變頻器時要求整流變壓器的漏抗為8%左右，由于這種變頻器有±2組直流母線，大多采用12或24脈波整流來進一步減小諧波；用于H橋級聯(lián)中壓變頻器時要求整流變壓器的漏抗為6%左右，這種變頻器的脈波數(shù)是6N（N為H橋串聯(lián)級數(shù)），脈波數(shù)高，諧波小。

晶閘管整流／回饋電源及PWM整流電源都允許雙方向功率流動，既能整流向直流母線供能，又能回饋把再生能量送回電網(wǎng)，適合用于再生能量大，制動頻繁的場合。

晶閘管整流／回饋電源由正反兩個可控整流橋（無環(huán)流可逆）組成，整流時正橋工作，輸出正向直流電流，回饋時反橋工作，直流電流反向。這種電源使用晶閘管，便宜。它的最大問題是存在回饋橋逆變失敗的可能，若在回饋橋工作期間突然交流電源故障，進線電壓降低過多，將導致逆變顛覆，直流電源短路，燒熔斷器，這種故障曾在現(xiàn)場多次發(fā)生。另外它的結構和控制也略麻煩。6脈波整流網(wǎng)側諧波大，大功率裝置常用12脈波整流，特別是用于中點鉗位三電平中壓變頻器時。由于復雜，24脈波整流少用。

IGBT（IGCT）PWM 整 流電 源 由IGBT（IGCT）橋和交流進線電抗構成，采用PWM控制，是逆變器的逆應用。這種電源具有理想的性能：雙方向功率流；正弦波網(wǎng)側電流（一個開關周期平均值）；功率因數(shù)超前／滯后可控，可以為1；電網(wǎng)異常降低時關斷全部開關器件，無顛覆問題。這種電源的主要問題是價高（使用IGBT或IGCT器件，進線電抗大）、控制和調試麻煩，從而影響其應用。用于大功率中壓變頻器時，由于開關器件的開關頻率低，網(wǎng)側諧波加大，效果將打折扣。很多應用場合希望裝置的逆變功率小于整流功率，這種電源難實現(xiàn)（晶閘管整流／回饋電源有逆變功率是整流功率的1／2和1／4之產(chǎn)品）。

針對上述兩種雙向功率流電源各自的優(yōu)缺點，西門子公司在其Sinamics系列變頻器中推出一種新的雙向功率流電源——IGBT整流／回饋電源，性能和價格都居于上述兩種之間，給使用者多一種選擇。這電源也由IGBT橋和交流進線電抗構成，但不采用PWM控制，每個IGBT在一個交流電源周期中只導通和關斷一次，于自然換流點（α＝0°）處開始導通，持續(xù)120°后關斷。進線交流電壓高于直流母線電壓時，電流經(jīng)與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管從交流電源流向直流母線——整流；當進線交流電壓低于直流母線電壓時，電流經(jīng)IGBT 從直流母線流向交流電源——回饋。它的控制和調試特別簡單，沒有移相或PWM，也沒有任何閉環(huán)調節(jié)。這電源有許多特點，筆者認為它在某些場合，特別是在中壓變頻、公共直流母線及4象限H橋級聯(lián)中壓變頻領域，應該有它的一席之地，故在本文中予以介紹。

2 晶閘管整流／回饋電源及PWM整流電源 （AFE）

2.1 晶閘管整流／回饋電源

晶閘管整流／回饋電源由正反兩個可控整流橋（無環(huán)流可逆）組成，整流時正橋工作，輸出正向直流電流，回饋時反橋工作，直流電流反向。它有2種電路結構：一種是對稱可逆結構，示于圖1a；另一種是不對稱可逆結構，示于圖1b。

圖1 晶閘管整流／回饋電源電路Fig.1 Thyristor rectifier／regenerative unit

對稱結構的優(yōu)點是結構緊湊，可以用可逆直流傳動的標準整流裝置，缺點是觸發(fā)延遲角α≥30°，導致進線功率因數(shù)和輸出直流電壓比不可控整流降低20%左右（含調節(jié)裕量）；為獲取逆變器要求的直流電壓，整流橋的交流進線電壓要適當升高，導致其值不標準，需配整流變壓器。不對稱結構的整流橋和回饋橋分開，整流橋工作于α＝0°，為防止逆變顛覆回饋橋工作于觸發(fā)超前角β≥30°，需用自耦變壓器AT把回饋橋的進線電壓升高20%。不對稱結構的特點是：交流進線電壓標準，可以不用整流變壓器；功率因數(shù)高；若回饋功率小，回饋橋和自耦變壓器容量可以減小，但自耦變壓器的引入使主電路復雜化。

這類電源的控制電路和無環(huán)流可逆直流傳動一樣，由移相觸發(fā)、無環(huán)流邏輯、直流電流內環(huán)和電壓外環(huán)雙閉環(huán)調節(jié)等部分構成，較麻煩。

晶閘管整流／回饋電源的最大問題是存在回饋橋逆變失敗的可能，若在回饋橋工作期間突然交流電源故障，進線電壓降低過多，將導致逆變顛覆，直流電源短路，燒熔斷器。這種故障曾在現(xiàn)場多次發(fā)生。

用于低壓變頻時，該電源多采用6脈波整流，網(wǎng)側諧波大，大功率裝置常采用12脈波整流，諧波大大減小。用于三電平中壓變頻時，由于逆變器要求±2組直流電源，該電源宜采用12脈波整流。由于復雜，24脈波整流很少用。

2.2 PWM整流電源（有源前端AFE）

PWM整流電源（AFE）由IGBT（IGCT）橋和交流進線電抗構成，采用PWM控制，是逆變器的逆應用。使用IGBT的AFE主電路示于圖2。圖2中，除三相IGBT橋外，還有貯能電容的預充電環(huán)節(jié)（SA和RP）及濾去開關頻率諧波的進線LC濾波器，濾波器中的電抗器LA是實現(xiàn)升壓變換所需的進線電抗器Xi。

圖2 AFE主電路Fig.2 AFE main circuit

AFE具有如下理想的性能：

1）電網(wǎng)側輸入電流為正弦波，無功從感性到容性連續(xù)可調（包括功率因數(shù)＝1）；

2）雙方向功率流，既可整流，又可回饋；

3）可在不穩(wěn)定的電網(wǎng)中可靠工作：在電網(wǎng)電壓大幅度波動時仍維持直流母線電壓不變；在電網(wǎng)故障，電壓突然降低過多或完全掉電時，立即關斷所有IGBT，AFE變成二極管整流橋，不存在逆變顛覆問題，不會出事故。

AFE的問題如下。

1）價格貴（約等于逆變器價格），制約了它的推廣應用，主要用于對調速回饋性能及電網(wǎng)質量要求高的場合。價高的原因有2個：一是使用IGBT或IGCT器件，比晶閘管貴許多；二是交流進線濾波器大且貴。AFE采用PWM控制，IGBT或IGCT橋交流輸入端是調制方波，脈動幅值大，為限制進線電流脈動率要求進線電抗Xi大，用于兩電平低壓變頻時Xi≈10%，用于三電平中壓變頻時Xi≈20%，為吸收開關頻率的諧波除Xi外常還裝設濾波電容（見圖2）。若AFE由單獨變壓器供電，Xi可以用變壓器漏抗來代替，但它必須是特殊的高漏抗變壓器，這時在變壓器原方裝設電容濾波。

2）AFE的控制由PWM調制、電壓外環(huán)和電流內環(huán)雙閉環(huán)調節(jié)構成，其中電流環(huán)是基于矢量變換的三相交流電流調節(jié)系統(tǒng)，復雜且調試麻煩。

3）隨裝置功率加大，特別是高壓開關器件的應用，開關損耗大大增加，PWM控制要求較高開關頻率，從而影響AFE裝置出力。現(xiàn)在高壓開關器件的開關頻率都限制在幾百Hz，要調制出50 Hz交流電壓，諧波很大，即便采用同步且對稱的調制策略，例如特定消諧法，其網(wǎng)側諧波狀況也只大致與18脈波整流相當。上述2個原因使AFE的優(yōu)良性能大打折扣。ABB公司ACS－6000系列中IGCT三電平AFE的數(shù)據(jù)示于表1。

表1 數(shù)據(jù)表Tab.1 Data table

由于采用特定消諧PWM策略，第1個未消除的諧波將被放大，二極管整流不放大，所以實際的相當脈波數(shù)比表中值要低。從表1中可以清楚地看到開關頻率對容量的影響及諧波情況。

平均開關頻率300Hz的三電平AFE之網(wǎng)側電流波形示于圖3，諧波狀況并不理想。

圖3 三電平AFE之網(wǎng)側電流波形（平均開關頻率300Hz）Fig.3 Grid－side current waveform of 3－level AFE（average switching frequency 300Hz）

4）實現(xiàn)逆變功率小于整流功率要求困難。

3 IGBT（IGCT）整流／回饋電源

IGBT（IGCT）整流／回饋電源的主電路與AFE基本相同，也由IGBT或IGCT橋和進線電抗Xi構成，繪于圖4（貯能電容預充電環(huán)節(jié)未繪）。

圖4 IGBT整流／回饋電源主電路Fig.4 IGBT rectifier／regenerative unit main circuit

與AFE不同，整流／回饋電源不采用PWM控制，它的開關器件只用作為電網(wǎng)的同步開關，每個開關在一個交流電源周期中只導通和關斷一次，于自然換流點（α＝0°）處開始導通，持續(xù)120°后關斷，圖5為三相電源相電壓及橋中6個開關器件的門極驅動信號。從圖5中看到，橋中每個相支路的上下2個開關器件的導通時間彼此錯開，間隔60°，無“直通”可能，不必像AFE那樣另外設置防直通的“死時”，工作可靠。該電源器件的開關頻率只有50Hz，遠低于AFE，有助于提高裝置出力。

圖5 三相相電壓及6個開關器件的門極驅動信號Fig.5 3－phase voltage and gate－drive signals of 6switching devices

與二極管整流不同，在電網(wǎng)線電壓瞬時值小于直流母線電壓Ud時，該電源允許電流從直流母線，經(jīng)開關器件和進線電抗流向電網(wǎng)。在空載、整流和回饋3種狀態(tài)下，開關器件VA1導通期間的Ud、線電壓uiAC和uiAB及A相電流iiA波形繪于圖6。在這期間uiAC或uiAB與直流正母線接通，它們與Ud之差加至電抗Xi，線電壓＞Ud時iiA向正方向變化，線電壓＜Ud時iiA向負方向變化?？蛰d狀態(tài)時（見圖6a），Id.I＝0（Id.I為直流母線上逆變器側直流電流），整流電壓Ud＝Ud0＝1.35Ui.L（Ud0為理想空載整流電壓，Ui.L為電網(wǎng)線電壓有效值），線電壓與Ud之差的正負伏－秒面積相同，iiA時正時負，平均值＝0，沒有功率流向直流母線或返回。整流狀態(tài)時（見圖6b），Id.I＞0，整流電壓Ud略低于Ud0（＜5%），正伏－秒面積加大負面積減小，iiA正向加大負向減小，直至無反向電流，平均值＞0，由于這時線電壓＞0，故功率從電網(wǎng)流向直流母線?；仞仩顟B(tài)時（見圖6c），Id.I＜0，整流電壓Ud略高于Ud0（＜5%），負伏－秒面積加大正面積減小，iiA負向加大正向減小，直至無正向電流，平均值＜0，由于這時線電壓＞0，故功率從直流母線流向電網(wǎng)。從上述3種狀態(tài)分析知，整流和回饋狀態(tài)的轉換及流過功率的大小都取決于Ud的變化，依據(jù)逆變器的要求（Id.I值）自動實現(xiàn)，不需要任何閉環(huán)調節(jié)，控制電路特別簡單。3種狀態(tài)的仿真結果示于圖7，圖7中上部是三相電網(wǎng)相電壓波形，下部是相電流波形。

圖6 3種狀態(tài)下VA1導通期間的Ud、線電壓及A相電流波形Fig.6 Ud，line voltage and current of phase A under 3situations when VA1is on

從上述分析還知，加在進線電抗Xi上的脈動電壓的幅值很小，故需要的電抗值較小，對于低壓IGBT裝置取Xi≈4%，對于中壓IGBT裝置取Xi＝5%～8%，這些值都與相應容量的通用變壓器的漏抗值相同，因此可采用通用變壓器作為整流器，不必像AFE那樣必須使用高漏抗變壓器。（35kV，10MV·A電力變壓器的阻抗電壓為7.5%；10kV，6.3MV·A電力變壓器的阻抗電壓為5.5%）

在電網(wǎng)故障，電壓突然降低過多或完全掉電時，立即關斷所有IGBT，該電源變成二極管整流橋，不存在逆變顛覆問題，不會出事故。

圖7 3種狀態(tài)的仿真結果Fig.7 Simulation results under 3situations

如果要求裝置的整流功率大于逆變功率，可以在IGBT或IGCT橋旁并聯(lián)一個二極管整流橋，主電路繪于圖8。圖8中，Xi是進線電抗，XB.1和 XB.2是均流電抗。取XB.1＝XB.2＝0.5%時，在IGBT（IGCT）和二極管壓降差25%（二極管壓降小）時，仍能取得較好均流效果，仿真結果示于圖9。（造成回饋時二極管橋有很小脈動電流的原因是XB.1的感生電壓）

圖8 并聯(lián)二極管橋的整流／回饋電源Fig.8 IGBT rectifier／regenerative unit with paralleled diode bridge

圖9 并聯(lián)二極管橋后的仿真波形（整流功率＝2×回饋功率）Fig.9 Simulation results of the unit with paralleled diode bridge（rectifying power＝2×regenerative power）

擴展整流容量的整流／回饋電源很適合用來作為公共直流母線的交－直電源，因為在公共母線下的一臺或幾臺電動機再生工作而其他電動機電動工作時，再生的能量可以通過直流母線流入正在電動工作的電動機，從而大大減小需要回饋電網(wǎng)的功率。

由于開關器件的門極驅動脈沖不移相，所以這整流／回饋電源的網(wǎng)側功率因數(shù)與接有同樣進線電抗的不可控整流電源基本相同，都比較高。該電源的網(wǎng)側電流諧波也與不可控整流電源類似。如果只有一個整流／回饋橋，屬6脈波整流，諧波較大；如果一個整流／回饋橋容量不夠，需要2個橋串聯(lián)或并聯(lián)工作時，宜采用12脈波整流，諧波將顯著減小，但這2個橋的交流進線需是整流變壓器彼此隔離的兩組副方繞組，且相位差30°。三電平逆變器要求±2組直流電源，宜采用2個整流／回饋橋串聯(lián)的12脈波整流方案。如果容量大，這±2組直流電源各用一個整流／回饋橋容量不夠，需要每套電源2個橋時，可以采用24脈波整流方案，但要求整流變壓器有4組副方繞組，且相位差15°。6脈波、12脈波和24脈波整流的網(wǎng)側電流仿真波形示于圖10。整流狀態(tài)諧波小，24脈波在整流狀態(tài)的波形非常好（比使用高壓開關器件的三電平AFE好），回饋時稍差。

圖10 6，12和24脈波整流的網(wǎng)側電流波形Fig.10 Grid－side current waveforms of 6，12and 24pulses units

H橋級聯(lián)變頻器是在我國應用最廣泛的中壓變頻器，它的主要優(yōu)點之一是，通過多級H橋串聯(lián)及多組變壓器副方繞組移相，使其交－直變換部分獲很高等效脈波數(shù)，網(wǎng)側電流諧波非常小。原來，H橋中的交－直變換都用不可控整流，變頻器不能回饋電動機的再生功率。為滿足用戶的4象限運行需求，近年來許多公司都在開發(fā)能回饋的產(chǎn)品，方法是用IGBT的AFE代替不可控整流。這種中壓變頻器中，H橋的數(shù)量龐大，每個H橋一套AFE，大量的AFE給控制和調試帶來巨大麻煩和困難。如果每個H橋中的交－直變換都改用IGBT整流／回饋電源，同樣可以實現(xiàn)回饋，它的主電路與AFE相同（對變壓器漏抗的要求比AFE低），但控制和調試變得十分簡單，與不可控整流差不多。IGBT整流／回饋電源的網(wǎng)側電流諧波與不可控整流基本相同，既然使用不可控整流都能使H橋級聯(lián)變頻器獲非常小的網(wǎng)側電流諧波，改用IGBT整流／回饋電源必然會取得同樣效果。

從上述介紹可以歸納出IGBT（IGCT）整流／回饋電源的特點。

1）允許雙方向功率流動，既可整流又可回饋。

2）不用PWM，無閉環(huán)調節(jié)，控制和調試特別簡單。

3）橋中每個相支路的上下兩個開關器件的導通時間彼此錯開，間隔60°，無“直通”可能，工作可靠。

4）在交流電源故障或進線電壓降低過多時，可通過關斷所有IGBT來避免逆變顛覆發(fā)生。

5）可以通過并聯(lián)二極管橋擴展整流功率，實現(xiàn)整流功率＞回饋功率要求，很適合用來作為公共直流母線的交－直電源。

6）網(wǎng)側功率因數(shù)及電流諧波與不可控整流電源基本相同，可以通過采用12或24脈波整流方法來減小諧波，特別是用于三電平變頻時。

7）與晶閘管整流／回饋電源相比：①使用IGBT或IGCT器件，比晶閘管貴；②解決了晶閘管整流／回饋電源的逆變顛覆問題；③不需要自耦變壓器，無閉環(huán)調節(jié)，控制和調試比晶閘管整流／回饋電源簡單。

8）與AFE相比：①雖然二者主電路差不多，但比AFE便宜，主要原因是進線電抗?。ǖ蛪旱谋倦娫碭i≈4%，中壓為5%～8%；低壓AFE的Xi≈10%，中壓為20%左右），其值與相應容量的通用變壓器的漏抗值相同，可采用通用變壓器作為整流變壓器，不必像AFE那樣必須使用高漏抗變壓器，另外控制和調試簡單也是原因；②開關頻率僅50Hz，比AFE低很多，可提高裝置出力，特別是使用高壓開關器件的裝置；③網(wǎng)側電流諧波不如AFE，但可通過采用12或24脈波整流方法來減小諧波，24脈波整流狀態(tài)的諧波甚至比中壓AFE小。

9）適合用于4象限H橋級聯(lián)中壓變頻器，比現(xiàn)用的AFE方案簡單得多。

4 結論

為實現(xiàn)4象限運行，要求變頻器的交－直變換能允許雙方向功率流動，有2種常用的電源：晶閘管整流／回饋電源及AFE，它們各有優(yōu)點及問題，都不令人滿意，前者便宜但存在逆變顛覆隱患；后者性能好但昂貴，且中壓裝置的性能下降。本文介紹一種新的4象限電源——IGBT整流／回饋電源，性能和價格都居于上述兩種之間，給使用者多提供一種選擇。它價格適中、控制特別簡單，無逆變顛覆隱患，開關頻率低有助于提高輸出能力，容易實現(xiàn)整流功率＞回饋功率要求，網(wǎng)側諧波比AFE大，但可通過采用12或24脈波方法來減小。上述特點將使它在市場上獲得一席之地，特別是在中壓變換、公共直流母線及4象限H橋級聯(lián)中壓變頻領域。

［1］西門子公司.SINAMICS－Low Voltage Engineering Manual［Z］.2008.