摘 要：著重介紹了IGCT大功率三電平變頻器在煤礦主井提升調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了提升機(jī)電控系統(tǒng)中運(yùn)用IGCT三電平逆變器的工作原理。IGCT變頻器可以做到大功率、高電壓，使提升機(jī)電控系統(tǒng)可靠性更高，輸入、輸出的功率因數(shù)為1，減少了電網(wǎng)的諧波污染，使提升效率明顯高于同類型設(shè)備，能耗大幅度下降。 關(guān)鍵詞：集成門極換向晶閘管；三電平變頻器；礦井提升機(jī)

Application of IGCT Converter in Mine Hoister Adjustable—speed System

（Electric and In rmation College，Anhui University of Science& Technology， Huainan 232001，Anhui，China） Abstract：The application of the high—power three—level converter in the mine master hoister was mainly in—troduced，and the principle of IGCT innverter was analyzed．The three—level converter of hoisting system canachieve high power and high voltage by using IGCT module，realize output and input power factor tO 1，reduceharmonious on the grid．As a result，the IGCT converter has higher efficiency and lower energy—loss than sametype equipments． Key words：integrated gate commutated thyristor（IGCT）；three—level converter；mine hoister 　　近幾年來，隨著一種新型電力電子器件——集成門極換向晶閘管IGCT 的成功應(yīng)用，由于其高電壓、大電流，較小的開關(guān)損耗，較快的開關(guān)速度等優(yōu)點(diǎn)，被瑞士ABB公司應(yīng)用于大功率交一直一交變頻調(diào)速系統(tǒng)ACS6000SD中。IGCT 的主要技術(shù)指標(biāo)為：瞬時(shí)開關(guān)頻率2O kHz，開關(guān)關(guān)斷時(shí)問1μs，di／dt為4 kA／μs，dr／dt為1O～20 kV／μs，交流阻斷電壓6 kV，直流阻斷電壓3．9 kV。 [b]1 IGCT逆變器工作原理 1．1 IGCT結(jié)構(gòu)[/b] 　　IGCT結(jié)構(gòu)如圖1所示，該圖左側(cè)是GCT（門極換流晶閘管），右側(cè)是反并聯(lián)的二極管。IGCT是在GTO的基礎(chǔ)上研制出來的改良器件，是由GCT和硬門極驅(qū)動電路集成而來的。GCT與GTO有著類似的3端4層結(jié)構(gòu)，與GTO有重要差別的是GCT芯片利用緩沖層技術(shù)，采用透明陽極發(fā)射技術(shù)的IGCT陽極很薄，且為弱摻雜，硅片厚度更薄，可大大降低導(dǎo)通和開關(guān)損耗。GCT內(nèi)部由上百甚至上千只小GCT元件組成，它們的陽極公用，而陰極、門極則分別并聯(lián)在一起，其目的就是利用門極實(shí)現(xiàn)器件關(guān)斷。 　　ACSC6000SD系統(tǒng)的IGCT驅(qū)動電路觸發(fā)功率小，把觸發(fā)及狀態(tài)監(jiān)視電路和IGCT管芯做成一個(gè)整體，通過兩根光纖輸入觸發(fā)信號，輸出工作狀態(tài)信號。IGCT與門極驅(qū)動器相距很近（間距15 cm），使IGCT結(jié)構(gòu)更加緊湊和堅(jiān)固，并可使門極電路的電感進(jìn)一步減小，降低了門極驅(qū)動電的成本和效率。門極驅(qū)動電路需要20～24 V的直流電源。驅(qū)動板設(shè)有單獨(dú)的開通電路和關(guān)斷電路。邏輯監(jiān)控電路對IGCT 的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，假如功率開關(guān)器件損壞，通過驅(qū)動板上的發(fā)光二極管顯示，若驅(qū)動電源有故障，也通過不同的發(fā)光二極管顯示。若電路正常，通過光纖給出高電平，IGCT導(dǎo)通，給出低電平，IGCT關(guān)斷。 IGCT利用門極脈沖開通，導(dǎo)通機(jī)理及結(jié)構(gòu)與GTO完全一樣，但關(guān)斷機(jī)理與GTO完全不同。當(dāng)GCT工作在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，是一個(gè)像晶閘管一樣的正反饋開關(guān)，其特點(diǎn)是攜帶電流能力強(qiáng)和通態(tài)壓降低。在關(guān)斷時(shí)，GCT能瞬間從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)到阻斷狀態(tài)，陽極電壓一旦建立GCT 門一陰極PN結(jié)提前進(jìn)入反向偏置，電子便能通過發(fā)射極排出，部分電子在金屬電極界面處復(fù)合，而不注人空穴，此時(shí)無需采用陽極短路就可限制PNP晶體管的發(fā)射效率和增益，拖尾電流雖然大但時(shí)間短（表1為GTO和IGCT的性能比較），從而大大提高了門極觸發(fā)靈敏度，縮短了關(guān)斷時(shí)間，提高了關(guān)斷速度，兼顧了晶體管穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)，降低了關(guān)斷損耗，并有效地退出工作，整個(gè)器件呈晶體管方式工作。 1．2 IGCT逆變器 　　IGCT逆變器的拓樸結(jié)構(gòu)為三相三電平，共包括12個(gè)帶組合二極管的IGCT模塊，每相由4只IGCT，8只二極管組成，其中鉗位二極管2只，中點(diǎn)二極管2只，反饋二極管4只。由這些器件組成一個(gè)三電平逆變器如圖2所示。 　　以A相為例，定義電流由逆變器流向電機(jī)方向?yàn)檎较?。給VT1m，VT1A導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時(shí)，假如電流為正方向，則P點(diǎn)電流流過主管VT1m，VT1A，輸出端電位等同于P點(diǎn)電位；若電流為反方向，流過續(xù)流二極管VD1m，VD1A，電流注入P點(diǎn)，輸出端電位仍等同于P點(diǎn)電位。給VT1A，VT4A一導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時(shí)，假如電流為正方向，則0‘點(diǎn)電流流過二極管VD1、主管VT1A，輸出端電位等同于0‘點(diǎn)電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A，二極管VI4，注入O‘點(diǎn)，輸出端電位仍等同于O‘點(diǎn)電位。給VT4A，VT4M導(dǎo)通觸發(fā)脈沖時(shí)，假如電流為正方向，則N點(diǎn)電流流過續(xù)流二極管VD4A，VD4m，輸出端電位等同于N點(diǎn)電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A，VT4m，注入N點(diǎn)，輸出端電位仍等同于N點(diǎn)電位。 　　由此可見，每相橋臂的4個(gè)IGCT有3種不同的通斷組合，對應(yīng)3種不同的輸出電位。設(shè)VT1m與VT1A。導(dǎo)通為模式1接通P，輸出電壓+Ud／2；VT1A與VT4A接導(dǎo)通模式2接通0’，輸出電壓為0；VT4A與VT4m導(dǎo)通為模式3接通N，輸出電壓為一Ud／2。 2 提升機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng) 　　新型礦井提升機(jī)變頻調(diào)速多采用ABB公司的ACS6000SD交一直一交變頻器，帶4 000 kW 同步電動機(jī)的驅(qū)動方案。ACS6000SD驅(qū)動控制系統(tǒng)包含有兩個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完全相同的三電平IGCT變流器，一個(gè)作為PWM 整流器（ARU），另一個(gè)作為PWM 逆變器（INU），其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 　　鑒于礦井提升機(jī)的運(yùn)行工藝，提升機(jī)屬往復(fù)運(yùn)動的生產(chǎn)機(jī)械，頻繁加、減速，另外礦井提升機(jī)電動機(jī)容量達(dá)4 000 kw，因此系統(tǒng)要求開關(guān)器件路元件數(shù)、熱耗散，從而明顯降低了門極驅(qū)動電路的工作電壓高、工作電流大及通態(tài)損耗低。ACS6000SD系統(tǒng)的IGCT單管交流阻斷電壓達(dá)6 000 V，瞬時(shí)電流達(dá)4 kA，開關(guān)關(guān)斷時(shí)問1 s。ACS6000SD是基于直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)新型交一直一交電壓型中壓變頻器，功率范圍從3～27 Mw。整流單元ARU 和逆變單元INU 的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全相同的，不同之處是ARU單元比INU單元多了2塊ASE抗磁飽和電路。 　　ACS6000SD系統(tǒng)通過交一直一交變頻器對礦井提升同步電動機(jī)進(jìn)行控制，IGCT在電路中作為變頻器的主開關(guān)器件。變頻器主電路由進(jìn)線側(cè)三電平整流器、中問直流電路、電機(jī)側(cè)三電平逆變器構(gòu)成。該電路具有以下特點(diǎn)：1）可以實(shí)現(xiàn)輸入功率因數(shù)為I；2）在額定負(fù)載下的效率大于97 ；3）可控制同步電動機(jī)功率因數(shù)為1；4）逆變器采用直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，靜態(tài)速度誤差0．01％ ，動態(tài)速度誤差0．2％ ～0．5 ％； 　　整流單元ARU將變壓器的二次側(cè)交流電壓整流為直流電壓，整流輸出電壓為直流4 800 V。在直流母線處有儲能電容單元CBU，CBU 中的大電容用來存儲能量，用于保證直流回路的電壓恒定。根據(jù)電動機(jī)的運(yùn)行模式（電動或制動），ARU分別從電網(wǎng)獲取能量或向電網(wǎng)注入能量來實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。 　　功率因數(shù)控制：ARU整流器采用矢量控制策略，通過選擇適當(dāng)ARU脈沖觸發(fā)模式，使變壓器電流與線電壓具有相同的相位，從而使系統(tǒng)的功率因數(shù)COS 為1。變壓器是感性負(fù)載，要使功率因數(shù)為1，就要對其進(jìn)行補(bǔ)償，使其總體呈阻性負(fù)載，因此ACS6000SD系統(tǒng)在直流側(cè)增加了CBU電容柜，以容性負(fù)載的超前特性來抵消感性負(fù)載的滯后，這就要求能量能經(jīng)過ARU進(jìn)行流動，而ACS6000SD系統(tǒng)也具備了讓ARU 反向逆變的功能，使ARU實(shí)現(xiàn)反向逆變功能是由ARU的控制板AMC3來控制的。 　　三電平逆變單元將ARU整流輸出的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電壓以驅(qū)動電機(jī)。逆變單元允許4象限運(yùn)行。INU單元的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與ARU整流單元相同，INU 逆變器采用的控制策略為基于三電平的直接轉(zhuǎn)矩控制。INU 和ARU一樣，其直流側(cè)連接到直流回路的電容上，因此對整個(gè)系統(tǒng)是對稱的。由于IGCT關(guān)斷時(shí)正向電流必須迅速歸零，di／dt過大，因此利用鉗位電路來吸收IGCT關(guān)斷時(shí)的能量。 　　CBU單元的作用是過濾和平滑直流母線上的直流電壓，儲存逆變器反饋回來的直流電能。CBU單元的主要組成部分如下： 　　1）充電回路由一個(gè)輔助升壓變壓器（輸入660V，輸出為3 900v／o．9 A）和一個(gè)二極管整流電路組成。作用是在ARU開始工作之前對直流回路進(jìn)行充電，使直流回路中的直流電壓穩(wěn)定在DC4 200V左右，整個(gè)充電過程需要時(shí)間大約為40 S。如不對直流回路進(jìn)行預(yù)充電，ARU 開始工作時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)很大的浪涌電流，對CBU 內(nèi)的電容產(chǎn)生沖擊破壞，同時(shí)對ARU單元內(nèi)的IGCT器件構(gòu)成威脅。 　　2）電容組是CBU 的主要部分，它直接連接在直流側(cè)的正極（DC+）與中性點(diǎn)（NP）、中性點(diǎn)與負(fù)極（DC一）之間。ACS6000SD系統(tǒng)的直流側(cè)電容的數(shù)量取決于系統(tǒng)容量的要求，例如配置6個(gè)電容可以達(dá)到9 MV·A 的系統(tǒng)容量，每個(gè)電容的容量為1．6mF（2 700V／260A）。 3 結(jié)語 　　IGCT變頻器是基于雙PWM 的三電平變頻器調(diào)速裝置。整流橋側(cè)采用矢量控制技術(shù)，可以大大減小整流側(cè)的電流諧波，任意調(diào)整電網(wǎng)側(cè)的輸入功率因數(shù)以及實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行；逆變器側(cè)采用DTC控制，其輸出的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)更快；使用三電平技術(shù)，使輸出線電壓波形更加接近正弦波，變頻器中的IGCT承受的電壓僅為直流電壓的一半，這樣將變頻器的電壓和容量提高一倍。故IGCT變頻器非常適用于高電壓、大容量的礦井提升機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其提升效率明顯高于同類型設(shè)備，能耗大幅度下降。 參考文獻(xiàn) [1] 李崇堅(jiān)．交流同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M]．北京：科學(xué)出版社，2006． [2] 祝龍記，張磊，過希文．大功率同步電機(jī)直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng) [J]．電力電子技術(shù)，2006，40（6）：22—24． [3] 謝軍，孫忠獻(xiàn)，溫曉玲．IGCT在礦井提升機(jī)斬波串級調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．煤礦機(jī)電，2007（2）：73—74． [4] 王成勝，李崇堅(jiān)，李耀華，等．7．5 MV·A 大功率三電平IGCT交一直一交變流器[J]．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22（8）： 22— 24