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1引言

2IGCT逆變器工作原理

    2.1IGCT結構

    IGCT結構如圖1所示，圖1左側是GCT（門極換流晶閘管），右側是反并聯的二極管。IGCT是在GTO的基礎上研制出來的改良器件，是由GCT和硬門極驅動電路集成而來的。GCT與GTO有著類似的3端4層結構，與GTO有重要差別的是GCT芯片利用緩沖層技術，采用透明陽極發射技術的IGCT陽極很薄，且為弱摻雜，硅片厚度更薄，可大大降低導通和開關損耗。GCT內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、門極則分別并聯在一起，其目的就是利用門極實現器件關斷。

圖1IGCT結構圖

    ACSC6000SD系統的IGCT驅動電路觸發功率小，把觸發及狀態監視電路和IGCT管芯做成一個整體，通過兩根光纖輸入觸發信號，輸出工作狀態信號。IGCT與門極驅動器相距很近（間距15cm），使IGCT結構更加緊湊合堅固，并可使門極電路的電感進一步減小，降低了門極驅動電的成本和效率。門極驅動電路需要20～24V的直流電源。驅動板設有單獨的開通電路和關斷電路。邏輯監控電路對IGCT的狀態進行監控，假如功率開關器件損壞，通過驅動板上的發光二極管顯示，若驅動電源有故障，也通過不同的發光二極管顯示。若電路正常，通過光纖給出高電平，IGCT導通，給出低電平，IGCT關斷。

    IGCT利用門極脈沖開通，導通機理及結構與GTO完全一樣，但關斷機理與GTO完全不同。當GCT工作在導通狀態時，是一個像晶閘管一樣的正反饋開關，其特點是攜帶電流能力強和通態壓降低。在關斷時，GCT能瞬間從導通狀態轉到阻斷狀態，陽極電壓一旦建立GCT門一陰極PN結提前進入反向偏置，電子便能通過發射極排出，部分電子在金屬電極界面處復合，而不注人空穴，此時無需采用陽極短路就可限制PNP晶體管的發射效率和增益，拖尾電流雖然大但時間短（表1為GTO和IGCT的性能比較），從而大大提高了門極觸發靈敏度，縮短了關斷時間，提高了關斷速度，兼顧了晶體管穩定關斷能力和晶閘管的低通態損耗的優點，降低了關斷損耗，并有效地退出工作，整個器件呈晶體管方式工作。

表1GTO和IGCT性能比較

2.2IGCT逆變器

    IGCT逆變器的拓樸結構為三相三電平，共包括12個帶組合二極管的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，中點二極管2只，反饋二極管4只。由這些器件組成一個三電平逆變器如圖2所示。

圖2三電平逆變拓撲結構圖

    以A相為例，定義電流由逆變器流向電機方向為正方向。給VT1m、VT1A導通觸發脈沖時，假如電流為正方向，則P點電流流過主管VT1m、VT1A，輸出端電位等同于P點電位；若電流為反方向，流過續流二極管VD1m，VD1A，電流注入P點，輸出端電位仍等同于P點電位。給VT1A、VT4A一導通觸發脈沖時，假如電流為正方向，則O'點電流流過二極管VD1、主管VT1A，輸出端電位等同于O'點電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A、二極管VD4，注入O'點，輸出端電位仍等同于O'點電位。給VT4A、VT4M導通觸發脈沖時，假如電流為正方向，則N點電流流過續流二極管VD4A、VD4m，輸出端電位等同于N點電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A、VT4m，注入N點，輸出端電位仍等同于N點電位。

    由此可見，每相橋臂的4個IGCT有3種不同的通斷組合，對應3種不同的輸出電位。設VT1m與VT1A。導通為模式1接通P，輸出電壓+Ud/2；VT1A與VT4A接導通模式2接通O'，輸出電壓為0；VT4A與VT4m導通為模式3接通N，輸出電壓為-Ud/2。

3提升機變頻調速系統

    新型礦井提升機變頻調速多采用ABB公司的ACS6000SD交-直-交變頻器，帶4000kW同步電動機的驅動方案。ACS6000SD驅動控制系統包含有兩個拓撲結構完全相同的三電平IGCT變流器，一個作為PWM整流器（ARU），另一個作為PWM逆變器（INU），其結構如圖3所示。

圖3ACS6000SD電路結構圖

    鑒于礦井提升機的運行工藝，提升機屬往復運動的生產機械，頻繁加、減速，另外礦井提升機電動機容量達4000kW，因此系統要求開關器件路元件數、熱耗散，從而明顯降低了門極驅動電路的工作電壓高、工作電流大及通態損耗低。ACS6000SD系統的IGCT單管交流阻斷電壓達6000V，瞬時電流達4kA，開關關斷時問1s。ACS6000SD是基于直接轉矩控制技術新型交-直-交電壓型中壓變頻器，功率范圍從3～27MW。整流單元ARU和逆變單元INU的硬件拓撲結構是完全相同的，不同之處是ARU單元比INU單元多了2塊ASE抗磁飽和電路。

    ACS6000SD系統通過交-直-交變頻器對礦井提升同步電動機進行控制，IGCT在電路中作為變頻器的主開關器件。變頻器主電路由進線側三電平整流器、中問直流電路、電機側三電平逆變器構成。該電路具有以下特點：（1）可以實現輸入功率因數為1；（2）在額定負載下的效率大于97%；（3）可控制同步電動機功率因數為1；（4）逆變器采用直接轉矩控制技術，靜態速度誤差0.01%，動態速度誤差0.2%～0.5%。

    整流單元ARU將變壓器的二次側交流電壓整流為直流電壓，整流輸出電壓為直流4800V。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。根據電動機的運行模式（電動或制動），ARU分別從電網獲取能量或向電網注入能量來實現能量的雙向流動。

    功率因數控制：ARU整流器采用矢量控制策略，通過選擇適當ARU脈沖觸發模式，使變壓器電流與線電壓具有相同的相位，從而使系統的功率因數為1。變壓器是感性負載，要使功率因數為1，就要對其進行補償，使其總體呈阻性負載，因此ACS6000SD系統在直流側增加了CBU電容柜，以容性負載的超前特性來抵消感性負載的滯后，這就要求能量能經過ARU進行流動，而ACS6000SD系統也具備了讓ARU反向逆變的功能，使ARU實現反向逆變功能是由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變為頻率可調的交流電壓以驅動電機。逆變單元允許4象限運行。INU單元的電路拓撲結構與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矩控制。INU和ARU一樣，其直流側連接到直流回路的電容上，因此對整個系統是對稱的。由于IGCT關斷時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關斷時的能量。

    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）充電回路由一個輔助升壓變壓器（輸入660V，輸出為3900V/0.9A）和一個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行充電，使直流回路中的直流電壓穩定在DC4200V左右，整個充電過程需要時間大約為40s。如不對直流回路進行預充電，ARU開始工作時會產生一個很大的浪涌電流，對CBU內的電容產生沖擊破壞，同時對ARU單元內的IGCT器件構成威脅。

    （2）電容組是CBU的主要部分，它直接連接在直流側的正極（DC+）與中性點（NP）、中性點與負極（DC-）之間。ACS6000SD系統的直流側電容的數量取決于系統容量的要求，例如配置6個電容可以達到9MV·A的系統容量，每個電容的容量為1.6mF（2700V/260A）。

4皮帶機運行原理概述

    強力皮帶機是礦山運輸的主要設備，其多電機拖動功率平衡分配是主要問題，本文主要介紹了合康HIVERT系列通用變頻器在礦山強力皮帶機上的應用。

    帶式輸送機是利用傳動滾筒和輸送帶之間的摩擦力，驅動輸送帶運行的連續的運輸設備。輸送帶既是牽引構件又是承載構件。

    國內現有大多數煤礦的皮帶輸送機一般都采用工頻拖動，較少使用變頻器驅動。由于電機長期工頻運行加之液力耦合器效率等問題，造成皮帶運輸機運行起來非常不經濟；同時由于電機無法采用軟起軟停，在機械上產生劇烈沖擊，加速機械的磨損；還有皮帶、液力耦合器的磨損和維護等問題都會給企業帶來很大數額的費用問題。這對于現在創建節能型社會是不相符合的，對煤礦企業的皮帶輸送機進行變頻改造對節約社會能源、增加煤礦企業的經濟效益都具有非常現實的經濟意義和社會意義。隨著高壓變頻技術的不斷進步和完善，其應用范圍越來越廣泛。本文主要結合北京合康變頻器的HIVERT系列通用高壓變頻器在某礦山煤礦皮帶機上的實際應用情況，對高壓變頻器在皮帶傳動場合的應用特點和注意事項進行簡要介紹。

5應用現場的基本情況

    某煤礦隸屬于四川礦業集團有限公司，如圖4所示；煤礦礦井結構圖如圖5所示。強力皮帶機數據，如表2所示；兩臺拖動電機數據一致，如表3所示。

圖4煤礦外景

圖5煤礦礦井強力皮帶機結構圖

表2強力皮帶機的數據

表3雙臺拖動電機數據

6礦山皮帶機的結構現場圖

    （1）拖動電機1和電機2，如圖6所示。

圖6電機M1和M2現場圖

    （2）拖動滾筒和逆止器，如圖7所示。

圖7滾筒和逆止器現場圖

    （3）盤形制動器，如圖8所示。

圖8盤形制動器現場圖

    （4）運輸強力皮帶，如圖9所示。

圖9強力皮帶現場圖

7煤礦皮帶機變頻調速系統方案設計

    皮帶機多機變頻調速系統的核心問題是皮帶系統中各電機的轉速和轉矩平衡問題。在實際應用中，根據現場工藝不同，可以選擇不同的變頻控制方案。

    （1）“一拖二”方案

    此方案是采用一臺變頻器同時拖動兩臺電機運行，將各個電機定子繞組直接并聯在一臺變頻器輸出測。

    “一拖二”方案中，變頻器無法對電機的轉矩進行獨立的控制，因此各電機的出力由電機的參數和皮帶參數決定；其中，影響電機功率平衡的主要因素是電機的參數差異和拖動滾筒及皮帶的包絡角差異；正常情況下，包絡角的大小只存在設計上及加工上的差異，但是當系統正常運行后，由于提升的貨物是潮濕的，皮帶在卸貨物后，上面仍殘留一些煤渣，這時候轉到拖到滾筒上，就會使拖動滾筒直徑變大；誤差越大，系統中電機的功率差異就會越大。

    采用“一拖二”方案有以下三個弊端：一是變頻器不能有效的分配兩臺電機的功率；二是需要用戶經常清理拖動滾筒的煤渣及雜物；三是變頻器不能有效的保護每一臺電機。

    （2）“雙機聯動”方案

    此方案采用兩臺變頻器分別拖動兩臺電機，將各個電機定子繞組直接分別接在兩臺變頻器輸出測。

    雙機聯動同步運行變頻系統是由完全獨立的兩臺變頻器通過主、從機的同步通訊方式保證雙電機的轉速、以及功率平衡的。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機。

    雙機拖動方案中，變頻器對電機的轉矩都能獨立控制，主從變頻器通訊采用光纖通訊，抗干擾能力強，通訊速率快，用戶可不必清理拖動滾筒的煤渣及雜物，變頻器主從之間可以自動來調整變頻器輸出轉速及功率一致。

8HIVERT系列通用高壓變頻器現場應用情況

    （1）變頻器的選擇

    綜合現場工藝要求，由于現場強力皮帶機無負力，故采用雙臺合康HIVERT系列通用高壓變頻器。變頻器數據，如表4所示。

表4變頻器數據

    變頻器功率額定電壓額定電流輸出頻率

    （2）合康變頻器雙機聯動控制技術

    雙機聯動（主從控制）同步運行變頻系統是由完全獨立的兩臺或者多臺變頻器通過主、從機的同步通訊方式保證雙電機的轉速、以及功率平衡的。兩臺電機中任意一臺都可作為主機，另一臺為從機，主從機之間的同步控制是由我公司自行研發生產的“內嵌式同步控制器”實現的。同步控制的傳輸介質為光纖通訊；此種雙機通訊方式無需增加額外的繁雜的同步設備，且已經在變頻器內置完成，只需要簡單的安裝操作及設置就可實現雙（多）機同步運行。    

    主、從電機在運行過程中，系統會出現由工況引起的功率不對稱分配，某臺電機出力嚴重超過電動機的額定功率，而另一臺電機則會過度輕載運行。主、從電機非同步運行很容易造成運行設備的損壞。且長期運行后，超載運行的電機也會出現過熱、過載保護、過流現象或停機等事故發生。為避免功率分配的不對稱出現，HIVERT高壓變頻器通過內置的高速同步通訊，可將非同步狀態下輸出功率較大電機的超載功率部分及時平衡到輕載電機上，實時保持前后主、從電機功率均衡對稱分配，動態自動調整，由此實現主、從變頻器的同步運轉，達到雙電動機同步運行的目的。

    （3）現場變頻器系統框圖，如圖10所示。

圖10現場變頻器框架圖

    （4）現場功率平衡的解決方案

    變頻器多機運行過程中，電機的功率平衡成為運行中的控制重點。

    HIVERT系列通用高壓變頻器采用光纖通訊，通訊速率達500kbps，足以應付現場的通訊需求，并加入CRC校驗，保證數據傳輸的準確性。

    HIVERT系列通用高壓變頻器，當主機接收到正常啟動信號后，主機啟動變頻器，同時將運行信號，運行頻率及轉矩電流發送給從機，從機按照主機發送過來的數據正常啟動、運行、輸出轉矩的控制，從機本身具備轉矩電流的調節，同時將自身的轉矩電流與主機發送過來的轉矩電流做比較，從機會自動調整自身的運行頻率，從而達到兩臺變頻器的功率平衡。主機的運行界面如圖11所示；從機的運行界面如圖12所示。

    （a）有故障時的開機界面

    （a）正常工作時的開機界面

圖11主機運行界面

圖12從機運行界面

    斜井強力膠帶輸送機是煤礦輸送的重要工具，在煤炭生產中具有舉足輕重的地位。作為高壓變頻系統在輸送機的動力系統，如何使兩臺電機帶動的皮帶機協調安全運行是重中之重。新疆建設兵團塔什店煤礦強力膠帶輸送機高壓變頻電控系統中（見圖13的主回路），由兩臺高壓變頻器帶動皮帶提升機。以下是在調試時，雙機聯動運行所遇到問題及解決方案。

    啟動運行時，雖然電控系統給定的兩臺變頻器的速度一致，但在實際運行過程中，總是存在兩臺電機運行的速度不一致，使其中一臺機械速度高的電機因過負荷而變頻器過電流跳閘，負荷過輕（因運行速度低）的一臺變頻器過電壓而跳閘保護。圖13為電氣一次圖及皮帶提升機械簡圖。

（a）電氣原理圖（b）斜井皮帶提升原理圖

圖13煤礦強力膠帶輸送機高壓變頻電控系統

    塔什店煤礦強力膠帶輸送機電氣及機械參數如下：

    膠帶機運輸機

    滾筒直徑：2m

    輸送傾角：20°30″

    最大長度：1310m

    帶速：2.5m/s

    主電機型號：YB450-4

    總功率：2X400kW

    額定電壓/電流：10000V/28.6A

    額定轉速：1485r/min

    減速機型號：ZSY(a)560(t)-45-Ⅱ

    速比：62

    高壓真空開關柜

    型號：KGS1-02DS

    皮帶主控臺

    型號：JPDK-ZN-ZKP

    高壓變頻器

    型號：HIVERT-Y10/036

    額定電壓/電流：10000V/36A

    輸出頻率：0-50Hz

    現場雙機拖動皮帶的示意圖如圖14所示。

圖14雙機拖動皮帶的現場示意圖

9變頻器產生過電壓的原因

    （1）主要是來自負載側的過電壓

    當兩臺電機拖動皮帶機并行運行時,如果其中一臺電機運行的速度超前于另一臺電機的速度，會使第二臺電動機處于再生發電狀態。即電機處于機械轉速比變頻輸出頻率決定的同步轉速高的狀態時，負載的傳動系統中所儲存的機械能經電動機轉換成電能，通過2個逆變器的續流二極管回饋到變頻器功率單元的中間直流回路中。此時的逆變器處于整流狀態，同時高壓變頻器串聯疊波方式的特點，電壓升高會集中在中性點上，單元A1、B1、C1的直流母排上；如果變頻器中直流均壓電阻不足以抵消這些能量，這些能量將會導致中性點上的直流回路的電壓上升，達到限值即會保護跳閘。

    過電壓保護是變頻器直流母排上直流電壓達到危險程度后采取的保護措施，變頻器過電壓的危害,對直流回路濾波電容器壽命有直接影響，嚴重時會引起電容器爆裂。因而在高壓變頻器中一般將功率單元的直流回路過電壓值（L+，L-）限定在AC1150V左右，一旦其電壓超過限定值，變頻器將按限定要求跳閘保護。

    （2）來自進線電源輸入側的過電壓

    正常電網輸入的電源電壓為10kV，允許誤差為-5%～+10%，輸入主隔離變壓器后，付繞組每個繞組電壓為640V，三相橋式全波整流后直流的峰值為820V，個別情況下電源線電壓達到705V，其峰值電壓也只有996V，并不算很高，一般進線電源電壓（+15%）不會使變頻器因過電壓跳閘。電源輸入側的過電壓主要是指電源側的沖擊過電壓，和雷電引起的操作過電壓等，主要特點是電壓變化率dV/dt和幅值都很大。

10變頻器過電壓故障分析及處理對策

    當變頻器啟動頻率加速時間設定不合適，在啟動的瞬間，兩臺變頻器不是運行在相同頻率（變頻器在加速過程中，皮帶機上兩個電機拖動同一個負載，由于沒有負荷分配，如其中一臺出現啟動瞬時電流非常大，輸出電流達到變頻器限電流超過了設定的上限值，此時變頻器的輸出頻率將不再上升，暫緩加速，待輸出電流下降到設定限流值以下后再繼續加速。），以至于其中的一臺變頻器的運行頻率高于另一臺頻率，在較嚴重時兩臺電機頻率可以相差0.2Hz，此時足以使一臺變頻器過電流或另一臺變頻器過壓。

    （1）首先解決雙電機機械速度一致的問題

    這種情況在調試過程中，解決是兩臺電機的過壓問題，要使兩臺變頻器同時輸出，在他們之間內部增加控制單元，解決同頻同速的問題。其控制原理是：分別檢測兩臺電機的輸出電流及兩臺變頻器的過電壓，在同時啟動的過程中，通過放大過負荷能力，同時盡可能使負荷分配一致，這樣他們的運行頻率（速度）一致。這樣避免或減少其中一臺電機多余能量向中間直流回路饋送，使其過電壓的程度限定在允許的限值之內。

    （2）其次降低工頻電源電壓

    目前變頻器電源側一般采用不可控整流橋，電源電壓高，中間直流回路電壓也高，電源電壓為690V時，直流回路電壓分別為910V。塔什溝礦變頻器距離變壓器很近，變頻器輸入電壓高，對變頻器中間直流回路承受過電壓能力影響很大，在這種情況下，可以將變壓器的分接開關放置在高壓檔（10.5kV），通過適當降低電源電壓的方式，達到相對提高變頻器過電壓能力的目的。

    在二象限電壓型高壓變頻器系統中，由于能量的不可逆特點，直流過電壓是她的一個弱點，尤其是在礦井皮帶機雙電機拖動系統中。關鍵是要分清原因，結合變頻器本身參數、控制系統狀況和工藝流程等情況，才能制定相應的對策。

11結語

    IGCT變頻器是基于雙PWM的三電平變頻器調速裝置。整流橋側采用矢量控制技術，可以大大減小整流側的電流諧波，任意調整電網側的輸入功率因數以及實現4象限運行；逆變器側采用DTC控制，其輸出的轉矩響應更快；使用三電平技術，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調速系統，其提升效率明顯高于同類型設備，能耗大幅度下降。經過變頻技術改造后皮帶機運行良好，徹底實現了強力皮帶輸送機的軟起、軟停運行方式以及轉速和功率平衡雙閉環的調節，大大提高了系統的功率因數和系統效率。改造后系統可以根據負載變化情況自動調整輸出頻率和輸出力矩，改變了以前電機工頻恒速運行的模式，在很大程度上節約了電力能源。經過改造后的運行，事實證明HIVERT系列通用高壓變頻器有著無法比擬的優越的產品性能和無法超越的技術領先優勢，在煤炭行業的節能改造中應用能夠創造巨大的經濟效益和良好的社會效益，對于創建節能環保型的社會發揮著重要的作用。