摘 要：介紹IGCF-PWM變頻器在高速線材軋機的成功應用及調(diào)試經(jīng)驗和維護。該變頻器以IGCT大功率器件作為逆變開關，并采用單片機和PLC控制，具有完善的故障自診斷功能。
關鍵詞：IGCF；變頻器；軋鋼
0 引言
　　近年來，中壓大功率調(diào)速領域采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已成發(fā)展趨勢。中壓變頻技術的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術的創(chuàng)新、電力電子器件及材料的開發(fā)和器件制造工藝水平提高的基礎上，尤其是高壓大容量GTO、IGBT、Ia 器件的成功開發(fā)，促進了中壓大功率變頻技術的迅速發(fā)展，技術性能日益完善。在吸取晶閘管（SCR）和GTO發(fā)展經(jīng)驗基礎上，研制開發(fā)出的集成門極換向晶閘管（IGCT）作為一種新型大功率半導體開關器件，以獨特方式將晶閘管的低通態(tài)壓降、高阻斷電壓和晶體管穩(wěn)定的開關特性融于一體，其應用將有利于變流裝置在功率、可靠性、開關速度、轉(zhuǎn)換效率、成本諸方面的進一步改進，給變流器性能帶來新的飛躍。于2001年投產(chǎn)的杭鋼高速線材有限公司，其NTM及RSM 軋機變頻器采用GE公司的INNO．VAT10N MEDIUM VOLT．AGE DRIVE，其功率元件采用IGCF，所拖動的電機功翠分別達到5000kw 和3200kw。經(jīng)過一段時間的使用，證明其性能優(yōu)良，安全可靠，取得了良好的使用效果，充分顯示IGCF的成熟、可靠和作為新一代電力電子器件的先進性。
1 電機及變頻柜主要技術數(shù)據(jù)
　　NTM為高線項目中的無扭軋機，其主要電機的參數(shù)如下：
　　功率5000l W
　　基速850r／min 電流1006A
　　電壓等級3300V
　　頻率28．33Hz
　　有效系數(shù)96．1％ 功率因素0．905
　　服務系數(shù)1．32I
　　恒力矩區(qū)0～850r／min
　　恒功率區(qū)850～1570r／min
　　直流源：
　　斬波頻率750Hz
　　操作頻率50Hz
　　持續(xù)運轉(zhuǎn)額定電流1041A
　　頻繁啟動150％，60s
　　變頻器：
　　斬波頻率750Hz
　　最大運行頻率60Hz
　　持續(xù)運轉(zhuǎn)額定電流806A
　　頻繁啟動150％，60s
2 IGCT的工作原理與強驅(qū)動
　　GCT與其它開關一樣，有導通和截止兩種穩(wěn)態(tài)和關斷開通兩種暫態(tài)。開通時門極施以正強電壓初瞬，GCT處于NPN晶體管狀態(tài)，這時晶體管作用大于晶閘管作用。轉(zhuǎn)入導通后，GCT仍可用兩正反饋的晶體管等效，強烈的正反饋使兩晶體管都飽和導通，等效電路如圖1（a）所示。當GCT處于阻斷狀態(tài)時，它的門一陰極結反偏，其等效電路如圖1（c）所示。這兩圖也可代表GTO的導通截止，而GCT、GTO的關斷過程卻有本質(zhì)不同：能瞬時無中間區(qū)由圖1（a）直接到圖1（C），而GTO則必經(jīng)中間區(qū)如圖1（b）。該區(qū)的電壓重加dU／dt使最大可關斷電流下降，瞬時關斷能耗增大而在尾部時間損壞GTO，故需設置龐大的dU／dt緩沖器。GCF無中間區(qū)無緩沖關斷的機理在于，強關斷時可使它的陰極注入瞬時停止，不參予以后過程，改變器件在雙極晶體管模式下關斷，前提是在P基N發(fā)射結外施很高負電壓，使陽極電流很快由陰極轉(zhuǎn)移（或換向）至門極（f-I極換向晶閘管即由此得名），不活躍的NPN管一停止注入，PNP管即因無基極電流容易關斷。 GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時間，而GTO卻是在SCR狀態(tài)下承受全阻斷電壓的。所以GCT可象IGBT無緩沖運行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時間很短。為便于了解關斷過程，現(xiàn)將關斷波形示于圖2。綜上所述，在合適的門極強驅(qū)動下，GCT開通初瞬處于NPN晶體管狀態(tài)；導通時為晶閘管狀態(tài)；關斷瞬間和截止狀態(tài)均為PNP晶體管狀態(tài)。

　　
　　強驅(qū)動是GCT成為新器件的關鍵。其實使普通強驅(qū)動也能使其性能明顯改善。由于強驅(qū)動使開通和存儲時間大大減少；在全部運行范圍內(nèi)都能均勻一致地開關且無需緩沖器，易于串并聯(lián)；強驅(qū)動是指器件開和關時，門極驅(qū)動電壓和電矩形安全工作區(qū)幾乎達硅片的雪崩極限；強驅(qū)動連同緩沖層透明陽極還使門極關斷電荷銳減，門極驅(qū)動功率驟降，門極單元尺寸縮為GTO的一半，強驅(qū)動是重大突破。
　　強驅(qū)動是指器件開和關時，門極驅(qū)動電壓和電流有適當高的幅值和上升率。如為了加快從門極抽出基區(qū)存儲電荷的過程，門極負電壓應有接近門一陰結雪崩擊穿電壓值；為了減少存儲時間和存儲功耗，就要提高門極負向電流上升率達4～6kA／ms，門極電流脈沖幅值也要達到陽極關斷電流。只有這樣，方能保證互聯(lián)晶體管在管熄滅后自動關斷，即器件開始承受全阻電壓前，全部陽極電流在lms內(nèi)換向至門極，這就要大大限制全部門極回路的總電感。如要關斷4000A電流，門極電壓為不致雪崩擊穿的20V，其門極驅(qū)動最大總電感應為上，S
3 INNOVATION MEDIUM VOLTRAGE DRIVE結構及其原理
　　INNOVATION MEDIUM VOLTRAGE DRIVE為GE公司推出的新一代中壓變頻傳動柜。從圖3可以看出，它采用交一直一交變頻方式。關鍵IGCW組件系ABB公司出品。A、B均采用與低壓傳動系列相同的硬件，具有良好的通用性。C和D同樣采用12個IGCW組件?？刂破髋cIGCW組件的通訊采用光纖，有效地防止了高頻干擾。整個系統(tǒng)采用去離子水進行冷卻，冷卻效率高，有效保證系統(tǒng)處于正常溫度內(nèi)。當系統(tǒng)準備運行時，首先在直流源控制器控制下，對直流母排進行充電，達到一定的電壓后，將高壓開關柜E閉合，直流源開始工作，提供穩(wěn)定的直流電壓源。數(shù)秒鐘后逆變器開始工作，處于待運行狀態(tài)。傳動系統(tǒng)通過ISBUS網(wǎng)絡接受來自PLC的指令并按要求運行。其主回路如圖4所示。三電平橋堆拓撲結構同時用于直流源和逆變器。
　　以下為該傳動柜的技術參數(shù)：
　　輸出電壓／電流0～3000V，0～1750A，無過
　　載持續(xù)工作@額定負載
　　效率98％
　　總諧波失真≤11％@lkHz開關頻率
　　換流方式電壓源，三電平，中點嵌位
　　變頻方式PWM
　　輸出頻率0～90Hz
　　電力半導體技術IGCT



4 調(diào)試經(jīng)驗及運行
　　兩個傳動柜自2001年3月開始調(diào)試，歷時兩個月。調(diào)試中遇到的問題及注意事項總結如下。
　　1）IGCT元件在裝配時，要注意元件間的壓力，不可過松也不可過緊，一般在元件的頂端有個力矩彈簧，確保受力均勻。
　　2）由于柜子容量大，會引起電網(wǎng)功率因素上升，甚至會產(chǎn)生過補現(xiàn)象，在調(diào)試時要注意電網(wǎng)功率因素的波動，適時調(diào)整無功成分量。
　　3）柜子容量大，采用水冷，要注意阻值的變化。
　　4）調(diào)試中由于慣量的變化，會引起機械噪聲，
　　5）如有以下故障要立即進行定位跟蹤，確認出現(xiàn)故障后，要用調(diào)試工具進行分析、推理，找出故障原因并顯示結果，然后根據(jù)故障嚴重程度，決定是否停機或調(diào)整系統(tǒng)控制參數(shù)。常見故障：缺相，單相接地，IGCT無法開通，各種電壓電流傳感器故障，控制器故障等。