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速系統中的應用，分析了提升機電控系統中運用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，使提升機電控系統可靠性更高，輸入、輸出的功率因數為1，減少了電網的諧波污染，使提升效率明顯高于同類型設備，能耗大幅度下降。 關鍵詞：集成門極換向晶閘管；三電平變頻器；礦井提升機

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 的成功應用，由于其高電壓、大電流，較小的開關損耗，較快的開關速度等優點，被瑞士ABB公司應用于大功率交一直一交變頻調速系統ACS6000SD中。IGCT 的主要技術指標為：瞬時開關頻率2O kHz，開關關斷時問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結構[/b] 　　IGCT結構如圖1所示，該圖左側是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。 　　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15 cm），使IGCT結構更加緊湊和堅固，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20～24 V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。 1．2 IGCT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。 　　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0‘點電流流過二極管VD1、主管VT1A，輸出端電位等同于0‘點電位；若電流為反方向，電流流過主管VT4A，二極管VI4，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0’，輸出電壓為0；VT4A與VT4m導通為模式3接通N，輸出電壓為一Ud／2。 2 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交一直一交變頻器，帶4 000 kW 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。 　　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4 000 kw，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6 000 V，瞬時電流達4 kA，開關關斷時問1 s。ACS6000SD是基于直接轉矩控制技術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系統通過交一直一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I；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COS 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3 900v／o．9 A）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DC4 200V左右，整個充電過程需要時間大約為40 S。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一）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9 MV·A 的系統容量，每個電容的容量為1．6mF（2 700V／260A）。 3 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。 參考文獻 [1] 李崇堅．交流同步電機調速系統[M]．北京：科學出版社，2006． [2] 祝龍記，張磊，過希文．大功率同步電機直接轉矩控制系統 [J]．電力電子技術，2006，40（6）：22—24． [3] 謝軍，孫忠獻，溫曉玲．IGCT在礦井提升機斬波串級調速系統中的應用[J]．煤礦機電，2007（2）：73—74． [4] 王成勝，李崇堅，李耀華，等．7．5 MV·A 大功率三電平IGCT交一直一交變流器[J]．電工技術學報，2007，22（8）： 22— 24