高壓IGBT變頻器及應(yīng)用

1前言

電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)與控制理論的結(jié)合，有力地促進(jìn)了交流變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。近年來(lái)，具有驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)功能的智能IGBT的應(yīng)用使得變頻器結(jié)構(gòu)更加緊湊且可靠。與其它電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、保護(hù)容易、不用緩沖電路和開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)，鑒于此，開(kāi)發(fā)高電壓、大電流、頻率高的高壓IGBT并將其應(yīng)用到變頻調(diào)速器中以獲得輸出電壓等級(jí)更高的裝置成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。中壓變頻器的研發(fā)與電力電子器件如高壓IGBT、GTO、IGCT等器件研制水平和應(yīng)用水平密切相關(guān)，隨著高電壓、大電流IGBT的面世，給中壓變頻器注入了新的活力，德國(guó)西門子公司采用高壓IGBT(600A～1200A/3300V～6500V)、三電平技術(shù)開(kāi)發(fā)的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國(guó)內(nèi)廣泛用于有色、冶金、電力、建材、自來(lái)水、石油化工等行業(yè)并得到用戶的認(rèn)可，本文就第四代IGBT的優(yōu)異性能，與GTO、IGCT等電力電子器件進(jìn)行了比較，結(jié)合MV系列中壓變頻器的特點(diǎn)論述了采用三電平技術(shù)獲得優(yōu)良的輸出電壓特性，采用模塊化技術(shù)以適應(yīng)各種負(fù)載的需求，介紹了三電平有源前端（AFE）技術(shù)提供的四象限傳動(dòng)方案，并提供眾多應(yīng)用選型實(shí)例說(shuō)明中壓變頻器的方案選擇與應(yīng)用效果。

2中壓變頻器用電力電子器件的比較

電力電子器件的發(fā)展經(jīng)歷了晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵晶體管(IGBT)等階段，目前，常壓變頻器基本上采用IGBT組成逆變電路，中壓變頻器中由于電路結(jié)構(gòu)的不同，交—直—交變頻器中逆變電路基本上由高壓IGBT、GTO、IGCT等組成，單元串聯(lián)多電平變頻器和中—低—中變頻器型多采用低壓IGBT構(gòu)成。

20世紀(jì)80年代可關(guān)斷晶閘管GTO的商品化促進(jìn)了交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，與SCR相比其屬于自關(guān)斷器件，由于取消了強(qiáng)迫換流電路，簡(jiǎn)化了在交流電力機(jī)車中大量采用的逆變器電路，目前GTO的容量為6000A/6000V，在電力機(jī)車調(diào)速中大多采用（3000～4000）A/4500V，中壓變頻器功率范圍多在（300～3500）kW以內(nèi)，屬于較小的功率范圍。GTO開(kāi)關(guān)頻率較低，需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩沖電路和門極觸發(fā)電路，用門極負(fù)電流脈沖關(guān)斷GTO，其值接近其陽(yáng)極電流的1/3，如關(guān)斷3000A/4000V的GTO，需750A的門極負(fù)脈沖電流，其門極觸發(fā)電路需要多個(gè)MOSFET并聯(lián)的低電感電路，而同樣的高壓IGBT僅需5A的導(dǎo)通和關(guān)斷電流。GTO的工作頻率低于500Hz，以1500A/4500V的GTO為例，其開(kāi)通時(shí)間為10μs，關(guān)斷時(shí)間約需20μs。

硬驅(qū)動(dòng)GTO(IGCT)是關(guān)斷增益為1的GTO，GTO制造工藝上是由多個(gè)小的GTO單元并聯(lián)而成的，為解決關(guān)斷GTO時(shí)非均勻關(guān)斷和陰極電流收縮效應(yīng)，縮短關(guān)斷時(shí)間，利用增加負(fù)門極電流上升率，在1μs內(nèi)使負(fù)門極電流上升到陽(yáng)極電流的幅值而使GTO的門極－陰極迅速恢復(fù)阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門極驅(qū)動(dòng)器組合成IGCT，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)控晶閘管的功能，IGCT使用過(guò)程中要求開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程盡可能短，目前IGCT的最高水平為4000A/6000V，IGCT關(guān)斷過(guò)程中仍需要di/dt緩沖器以防過(guò)電壓，IGCT以GTO為基礎(chǔ)，其工作頻率應(yīng)在1kHz以下。

圖112脈波二極管整流輸入采用高壓IGBT的三電平MV裝置

圖2MV輸出電壓和輸出電流波形(典型的基波電流系數(shù)gi=99％)

隨著關(guān)斷能力和載流能力的提高，高壓IGBT以其自保護(hù)功能強(qiáng)，無(wú)需吸收電路而具有廣闊的應(yīng)用前景。西門子公司從1988年開(kāi)始研制和應(yīng)用低壓IGBT，在高壓IGBT的開(kāi)發(fā)上也處于領(lǐng)先地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT為例，其柵極發(fā)射極電壓僅為15V，觸發(fā)功率低，關(guān)斷損耗小，di/dt、dv/dt都得到了有效控制，目前高壓IGBT的研制水平為(600～1200)A/6500V，其工作頻率為（18～20）kHz。

3高壓IGBT中壓變頻器的特點(diǎn)

SIMOVERTMV系列中壓變頻器采用了實(shí)踐證明具有優(yōu)秀性能的矢量轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)定向控制原理，即優(yōu)化的空間矢量和脈寬調(diào)制模式，應(yīng)用高壓IGBT和三電平技術(shù)而獲得了優(yōu)良的輸出電壓特性。在設(shè)計(jì)上充分考慮了各種負(fù)載情況，能適應(yīng)風(fēng)機(jī)、泵類，擠壓機(jī)，提升機(jī)，皮帶機(jī)，活塞式壓縮機(jī)，卷取機(jī)，開(kāi)卷機(jī)等各種應(yīng)用。應(yīng)用模塊化技術(shù)優(yōu)化傳動(dòng)裝置，可采用12或24脈波二極管整流器，或輸入端采用有源前端都可以獲得高動(dòng)態(tài)性能、高可靠性和最佳的性能價(jià)格比。

目前1500kVA以下電壓源型變頻器基本上采用二電平電路結(jié)構(gòu)，將中間直流電路的正極電位或負(fù)極電位接到電機(jī)上去。為滿足變頻器容量和輸出電壓等級(jí)的需求，并降低諧波及dv/dt，出現(xiàn)了采用GTO或高壓IGBT的三電平變頻器，將中間直流電路正極電位、負(fù)極電位及中點(diǎn)電位送到電機(jī)上去。與二電平變頻器相比，其輸出波形諧波較小，降低了損耗，同時(shí)使功率器件耐壓降低一半。西門子公司采用高壓IGBT、三電平技術(shù)開(kāi)發(fā)成功MV系列中壓變頻器，其逆變器電路在3300V、4160V等級(jí)僅需12或24個(gè)器件，無(wú)須緩沖電路，結(jié)構(gòu)緊湊，提高了可靠性和整體效率。其主電路如圖1所示，其輸出電壓、電流波形如圖2所示。

MV系列變頻器采用模塊化技術(shù)，對(duì)各種傳動(dòng)應(yīng)用提供全面的解決方案，為滿足再生制動(dòng)，提供了有源前端技術(shù)，即從電網(wǎng)向AFE輸入正弦波交流電，經(jīng)整流后輸出直流電壓，并保持所要求的電壓值，濾波電路保證從電網(wǎng)汲取及反饋回電網(wǎng)的只有正弦波電壓或電流。

4MV系列中壓變頻器應(yīng)用實(shí)例

中壓變頻器的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括適用范圍、設(shè)計(jì)思想、如電壓源或電流源型、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、速度控制、諧波與噪聲，效率、功率因數(shù)及電磁兼容性等。MV系列變頻器通過(guò)采用優(yōu)化的空間矢量和脈寬調(diào)制模式可獲得極高的動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)<2％，并具有完美的控制特性；通過(guò)對(duì)各種情況下的諧波電流進(jìn)行快速傅里葉分析，可提供典型諧波電流頻譜；MV由于采用高壓IGBT無(wú)緩沖器電路，功率因數(shù)大于0?96，由于采用有源前端技術(shù)，功率因數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整(滯后或超前)，同時(shí)提高了電磁兼容性，滿足了抗干擾的要求。以下提供部分應(yīng)用實(shí)例供參考：

圖3MVAFE結(jié)構(gòu)框圖

（1）在建材水泥行業(yè)，廣州珠江水泥廠經(jīng)過(guò)對(duì)多家

公司中壓變頻器產(chǎn)品的比較，決定采用西門子MV系列產(chǎn)品于電收塵風(fēng)機(jī)、爐列風(fēng)機(jī)及窯列風(fēng)機(jī)上，其中，電收塵風(fēng)機(jī)電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)1RQ4506?8，1300kW/3300V，中壓變頻器為6SE8018?1BA00，輸入端采用12脈波整流，變頻器總的功率因數(shù)大于0?96；爐列風(fēng)機(jī)電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)IRQ4564?6，2500kW/3300V，變頻器為6SE8031?1BA00；窯列風(fēng)機(jī)電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)1RQ4502?6，1400kW/3300V，變頻器為6SE8018?1BA00，用戶在選型時(shí)充分考慮了高壓IGBT變頻器對(duì)電機(jī)的絕緣等級(jí)的要求，同時(shí)也考慮了供貨商電機(jī)、變頻器的系統(tǒng)配套能力，以選擇最經(jīng)濟(jì)合理的方案，現(xiàn)設(shè)備已投入運(yùn)行并取得顯著的節(jié)能效果。

（2）在電力行業(yè)，SIMOVERTMV具有廣泛的應(yīng)

用前景，特別是對(duì)于調(diào)峰電廠，主要的應(yīng)用包括給水泵、送(引)風(fēng)機(jī)、灰漿泵、供熱水泵等。通常除了節(jié)能，增加機(jī)械壽命，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊外，還可大大優(yōu)化電廠鍋爐的燃燒過(guò)程，使全廠的用電率下降，這一點(diǎn)在山東龍口電廠得到了認(rèn)證。該廠已采用多套西門子變頻器用于技術(shù)改造，其采用的SIMOVERTMV1250kW/6kV也將很快投入運(yùn)行。

（3）在石化行業(yè)，北京燕山石化66萬(wàn)噸高壓聚乙

烯生產(chǎn)中的擠壓機(jī)其技術(shù)要求如下：功率3000kW、1?2倍過(guò)載、調(diào)速比為1∶10以上(95～950～1150）r/min。是典型的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，通常采用恒速交流電機(jī)或調(diào)速直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，考慮到化工裝置的長(zhǎng)期運(yùn)行，維護(hù)工作量應(yīng)很小，加上節(jié)能等方面的考慮，要求具有節(jié)能、高可靠性和優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能，經(jīng)過(guò)比較，采用西門子高壓IGBT、三電平技術(shù)的SIMOVERTMV以滿足所有要求，同時(shí)考慮到減少對(duì)電網(wǎng)的諧波干擾，最終采用4?16kV、24脈波結(jié)構(gòu)、3000kW帶6極變頻電機(jī)(不帶濾波器)的整套西門子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。高壓IGBT變頻器為石化行業(yè)技術(shù)改造和新上項(xiàng)目提供了更多的可能，特別是新上項(xiàng)目，用戶可選擇性能價(jià)格比最優(yōu)的方案。

（4）在冶金行業(yè)SIMOVERTMV的應(yīng)用正在增

加，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

①在精軋機(jī)組中用MV＋鼠籠機(jī)替代LCI(負(fù)載換

流式)變頻器＋同步機(jī)方案，使系統(tǒng)的諧波更小，性能更佳，安陽(yáng)鋼鐵公司5000kWMV精軋機(jī)已調(diào)試完畢。

②在冷軋機(jī)或卷曲機(jī)上替代直流傳動(dòng)。

③在節(jié)能應(yīng)用中，用在鋼鐵廠的焦化風(fēng)機(jī)上，通

常節(jié)能在30％以上，如馬鞍山鋼鐵公司、邯鄲鋼鐵公司已有應(yīng)用。此外煉鋼廠的除塵風(fēng)機(jī)，由于是變速工況，采用變頻器可大大節(jié)能，在太原鋼鐵公司已有應(yīng)用(SIMOVERTMV1250kW)。

（5）在有色行業(yè)，嶺南鉛鋅集團(tuán)將西門子MV系列產(chǎn)

品及電機(jī)用于二氧化硫風(fēng)機(jī)，主鼓風(fēng)機(jī)，充分考慮了西門子公司的配套總承能力，其中，二氧化硫電機(jī)為西門子鼠籠電機(jī)1RN4564?4HX60?Z，2250kW/6000V，變頻器為12脈沖二極管整流三電平MV6SE8026?1EA00，主鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)為1RN4500?2HV60?Z，1300kW/6000V，變頻器為6SE8018?1EA00。