摘 要：介紹IGCF-PWM變頻器在高速線材軋機(jī)的成功應(yīng)用及調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和維護(hù)。該變頻器以IGCT大功率器件作為逆變開關(guān)，并采用單片機(jī)和PLC控制，具有完善的故障自診斷功能。
關(guān)鍵詞：IGCF；變頻器；軋鋼
0 引言
　　近年來，中壓大功率調(diào)速領(lǐng)域采用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)已成發(fā)展趨勢(shì)。中壓變頻技術(shù)的迅速發(fā)展是建立在電力電子技術(shù)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(chǔ)上，尤其是高壓大容量GTO、IGBT、Ia 器件的成功開發(fā)，促進(jìn)了中壓大功率變頻技術(shù)的迅速發(fā)展，技術(shù)性能日益完善。在吸取晶閘管（SCR）和GTO發(fā)展經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)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(dǎo)體開關(guān)器件，以獨(dú)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(guān)特性融于一體，其應(yīng)用將有利于變流裝置在功率、可靠性、開關(guān)速度、轉(zhuǎn)換效率、成本諸方面的進(jìn)一步改進(jìn)，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(jī)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(dòng)的電機(jī)功翠分別達(dá)到5000kw 和3200kw。經(jīng)過一段時(shí)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(jìn)性。
1 電機(jī)及變頻柜主要技術(shù)數(shù)據(jù)
　　NTM為高線項(xiàng)目中的無扭軋機(jī)，其主要電機(jī)的參數(shù)如下：
　　功率5000l W
　　基速850r／min 電流1006A
　　電壓等級(jí)3300V
　　頻率28．33Hz
　　有效系數(shù)96．1％ 功率因素0．905
　　服務(wù)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(yùn)轉(zhuǎn)額定電流1041A
　　頻繁啟動(dòng)150％，60s
　　變頻器：
　　斬波頻率750Hz
　　最大運(yùn)行頻率60Hz
　　持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)額定電流806A
　　頻繁啟動(dòng)150％，60s
2 IGCT的工作原理與強(qiáng)驅(qū)動(dòng)
　　GCT與其它開關(guān)一樣，有導(dǎo)通和截止兩種穩(wěn)態(tài)和關(guān)斷開通兩種暫態(tài)。開通時(shí)門極施以正強(qiáng)電壓初瞬，GCT處于NPN晶體管狀態(tài)，這時(shí)晶體管作用大于晶閘管作用。轉(zhuǎn)入導(dǎo)通后，GCT仍可用兩正反饋的晶體管等效，強(qiáng)烈的正反饋使兩晶體管都飽和導(dǎo)通，等效電路如圖1（a）所示。當(dāng)GCT處于阻斷狀態(tài)時(shí)，它的門一陰極結(jié)反偏，其等效電路如圖1（c）所示。這兩圖也可代表GTO的導(dǎo)通截止，而GCT、GTO的關(guān)斷過程卻有本質(zhì)不同：能瞬時(shí)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(guān)斷電流下降，瞬時(shí)關(guān)斷能耗增大而在尾部時(shí)間損壞GTO，故需設(shè)置龐大的dU／dt緩沖器。GCF無中間區(qū)無緩沖關(guān)斷的機(jī)理在于，強(qiáng)關(guān)斷時(shí)可使它的陰極注入瞬時(shí)停止，不參予以后過程，改變器件在雙極晶體管模式下關(guān)斷，前提是在P基N發(fā)射結(jié)外施很高負(fù)電壓，使陽(yáng)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(guān)斷。 GCT成為PNP管早于它承受全阻斷電壓的時(shí)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(yùn)行，無二次擊穿，拖尾電流雖大但時(shí)間很短。為便于了解關(guān)斷過程，現(xiàn)將關(guān)斷波形示于圖2。綜上所述，在合適的門極強(qiáng)驅(qū)動(dòng)下，GCT開通初瞬處于NPN晶體管狀態(tài)；導(dǎo)通時(shí)為晶閘管狀態(tài)；關(guān)斷瞬間和截止?fàn)顟B(tài)均為PNP晶體管狀態(tài)。

　　
　　強(qiáng)驅(qū)動(dòng)是GCT成為新器件的關(guān)鍵。其實(shí)使普通強(qiáng)驅(qū)動(dòng)也能使其性能明顯改善。由于強(qiáng)驅(qū)動(dòng)使開通和存儲(chǔ)時(shí)間大大減少；在全部運(yùn)行范圍內(nèi)都能均勻一致地開關(guān)且無需緩沖器，易于串并聯(lián)；強(qiáng)驅(qū)動(dòng)是指器件開和關(guān)時(shí)，門極驅(qū)動(dòng)電壓和電矩形安全工作區(qū)幾乎達(dá)硅片的雪崩極限；強(qiáng)驅(qū)動(dòng)連同緩沖層透明陽(yáng)極還使門極關(guān)斷電荷銳減，門極驅(qū)動(dòng)功率驟降，門極單元尺寸縮為GTO的一半，強(qiáng)驅(qū)動(dòng)是重大突破。
　　強(qiáng)驅(qū)動(dòng)是指器件開和關(guān)時(shí)，門極驅(qū)動(dòng)電壓和電流有適當(dāng)高的幅值和上升率。如為了加快從門極抽出基區(qū)存儲(chǔ)電荷的過程，門極負(fù)電壓應(yīng)有接近門一陰結(jié)雪崩擊穿電壓值；為了減少存儲(chǔ)時(shí)間和存儲(chǔ)功耗，就要提高門極負(fù)向電流上升率達(dá)4～6kA／ms，門極電流脈沖幅值也要達(dá)到陽(yáng)極關(guān)斷電流。只有這樣，方能保證互聯(lián)晶體管在管熄滅后自動(dòng)關(guān)斷，即器件開始承受全阻電壓前，全部陽(yáng)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(guān)斷4000A電流，門極電壓為不致雪崩擊穿的20V，其門極驅(qū)動(dòng)最大總電感應(yīng)為上，S
3 INNOVATION MEDIUM VOLTRAGE DRIVE結(jié)構(gòu)及其原理
　　INNOVATION MEDIUM VOLTRAGE DRIVE為GE公司推出的新一代中壓變頻傳動(dòng)柜。從圖3可以看出，它采用交一直一交變頻方式。關(guān)鍵IGCW組件系A(chǔ)BB公司出品。A、B均采用與低壓傳動(dòng)系列相同的硬件，具有良好的通用性。C和D同樣采用12個(gè)IGCW組件。控制器與IGCW組件的通訊采用光纖，有效地防止了高頻干擾。整個(gè)系統(tǒng)采用去離子水進(jìn)行冷卻，冷卻效率高，有效保證系統(tǒng)處于正常溫度內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，首先在直流源控制器控制下，對(duì)直流母排進(jìn)行充電，達(dá)到一定的電壓后，將高壓開關(guān)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(yùn)行狀態(tài)。傳動(dòng)系統(tǒng)通過ISBUS網(wǎng)絡(luò)接受來自PLC的指令并按要求運(yùn)行。其主回路如圖4所示。三電平橋堆拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同時(shí)用于直流源和逆變器。
　　以下為該傳動(dòng)柜的技術(shù)參數(shù)：
　　輸出電壓／電流0～3000V，0～1750A，無過
　　載持續(xù)工作@額定負(fù)載
　　效率98％
　　總諧波失真≤11％@lkHz開關(guān)頻率
　　換流方式電壓源，三電平，中點(diǎn)嵌位
　　變頻方式PWM
　　輸出頻率0～90Hz
　　電力半導(dǎo)體技術(shù)IGCT



4 調(diào)試經(jīng)驗(yàn)及運(yùn)行
　　兩個(gè)傳動(dòng)柜自2001年3月開始調(diào)試，歷時(shí)兩個(gè)月。調(diào)試中遇到的問題及注意事項(xiàng)總結(jié)如下。
　　1）IGCT元件在裝配時(shí)，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(gè)力矩彈簧，確保受力均勻。
　　2）由于柜子容量大，會(huì)引起電網(wǎng)功率因素上升，甚至?xí)a(chǎn)生過補(bǔ)現(xiàn)象，在調(diào)試時(shí)要注意電網(wǎng)功率因素的波動(dòng)，適時(shí)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(huì)引起機(jī)械噪聲，
　　5）如有以下故障要立即進(jìn)行定位跟蹤，確認(rèn)出現(xiàn)故障后，要用調(diào)試工具進(jìn)行分析、推理，找出故障原因并顯示結(jié)果，然后根據(jù)故障嚴(yán)重程度，決定是否停機(jī)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。