IGCT变频器在矿井提升机调速系统中的应用.docx

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1、IGCT变频器在矿井提升机调速系统中的应用huanglj导语：着重介绍了IGCT大功率三电平变频器在煤矿主井提升调速系统中的应用，分析了提升机电控系统中运用IGCT三电平逆变器的工作原理。摘要：着重介绍了IGCT大功率三电平变频器在煤矿主井提升调速系统中的应用，分析了提升机电控系统中运用IGCT三电平逆变器的工作原理。IGCT变频器可以做到大功率、高电压，使提升机电控系统可靠性更高，输入、输出的功率因数为1，减少了电网的谐波污染，使提升效率明显高于同类型设备，能耗大幅度下降。关键词：集成门极换向晶闸管；三电平变频器；矿井提升机ApplicationofIGCTConverterinMineHo

2、isterAdjustablespeedSystemLANYun，ZHANGLiElectricandInrmationCollege，AnhuiUniversityofScience&Technology，Huainan232001，Anhui，ChinaAbstract：Theapplicationofthehighpowerthreelevelconverterintheminemasterhoisterwasmainlyintroduced，andtheprincipleofIGCTinnverterwasanalyzedThethreelevelconverterofhoisting

3、systemcanachievehighpowerandhighvoltagebyusingIGCTmodule，realizeoutputandinputpowerfactortO1，reduceharmoniousonthegridAsaresult，theIGCTconverterhashigherefficiencyandlowerenergylossthansametypeequipmentsKeywords：integratedgatecommutatedthyristorIGCT；threelevelconverter；minehoister近几年来，随着一种新型电力电子器件集成

4、门极换向晶闸管IGCT的成功应用，由于其高电压、大电流，较小的开关损耗，较快的开关速度等优点，被瑞士ABB公司应用于大功率交一直一交变频调速系统ACS6000SD中。IGCT的主要技术指标为：瞬时开关频率2OkHz，开关关断时问1s，didt为4kAs，drdt为1O20kVs，沟通阻断电压6kV，直流阻断电压39kV。b1IGCT逆变器工作原理11IGCT构造/bIGCT构造如图1所示，该图左侧是GCT门极换流晶闸管，右侧是反并联的二极管。IGCT是在GTO的根底上研制出来的改进器件，是由GCT和硬门极驱动电路集成而来的。GCT与GTO有着类似的3端4层构造，与GTO有重要差异的是GCT芯片

5、利用缓冲层技术，采用透明阳极发射技术的IGCT阳极很薄，且为弱掺杂，硅片厚度更薄，可大大降低导通和开关损耗。GCT内部由上百甚至上千只小GCT元件组成，它们的阳极公用，而阴极、门极那么分别并联在一起，其目的就是利用门极实现器件关断。ACSC6000SD系统的IGCT驱动电路触发功率小，把触发及状态监视电路和IGCT管芯做成一个整体，通过两根光纤输入触发信号，输出工作状态信号。IGCT与门极驱动器相距很近间距15cm，使IGCT构造更加紧凑和巩固，并可使门极电路的电感进一步减小，降低了门极驱动电的本钱和效率。门极驱动电路需要2024V的直流电源。驱动板设有单独的开通电路和关断电路。逻辑监控电路对

6、IGCT的状态进展监控，假设功率开关器件损坏，通过驱动板上的发光二极管显示，假设驱动电源有故障，也通过不同的发光二极管显示。假设电路正常，通过光纤给出高电平，IGCT导通，给出低电平，IGCT关断。IGCT利用门极脉冲开通，导通机理及构造与GTO完全一样，但关断机理与GTO完全不同。当GCT工作在导通状态时，是一个像晶闸管一样的正反应开关，其特点是携带电流才能强和通态压降低。在关断时，GCT能瞬间从导通状态转到阻断状态，阳极电压一旦建立GCT门一阴极PN结提早进入反向偏置，电子便能通过发射极排出，局部电子在金属电极界面处复合，而不注人空穴，此时无需采用阳极短路就可限制PNP晶体管的发射效率和增

7、益，拖尾电流固然大但时间短表1为GTO和IGCT的性能比拟，进而大大进步了门极触发灵敏度，缩短了关断时间，进步了关断速度，兼顾了晶体管稳定关断才能和晶闸管的低通态损耗的优点，降低了关断损耗，并有效地退出工作，整个器件呈晶体管方式工作。12IGCT逆变器IGCT逆变器的拓朴构造为三相三电平，共包括12个带组合二极管的IGCT模块，每相由4只IGCT，8只二极管组成，其中钳位二极管2只，中点二极管2只，反应二极管4只。由这些器件组成一个三电平逆变器如图2所示。以A相为例，定义电流由逆变器流向电机方向为正方向。给VT1m，VT1A导通触发脉冲时，假设电流为正方向，那么P点电流流过主管VT1m，VT1

8、A，输出端电位等同于P点电位；假设电流为反方向，流过续流二极管VD1m，VD1A，电流注入P点，输出端电位仍等同于P点电位。给VT1A，VT4A一导通触发脉冲时，假设电流为正方向，那么0点电流流过二极管VD1、主管VT1A，输出端电位等同于0点电位；假设电流为反方向，电流流过主管VT4A，二极管VI4，注入O点，输出端电位仍等同于O点电位。给VT4A，VT4M导通触发脉冲时，假设电流为正方向，那么N点电流流过续流二极管VD4A，VD4m，输出端电位等同于N点电位；假设电流为反方向，电流流过主管VT4A，VT4m，注入N点，输出端电位仍等同于N点电位。由此可见，每相桥臂的4个IGCT有3种不同的

9、通断组合，对应3种不同的输出电位。设VT1m与VT1A。导通为形式1接通P，输出电压+Ud2；VT1A与VT4A接导通形式2接通0，输出电压为0；VT4A与VT4m导通为形式3接通N，输出电压为一Ud2。2提升机变频调速系统新型矿井提升机变频调速多采用ABB公司的ACS6000SD交一直一交变频器，带4000kW同步电动机的驱动方案。ACS6000SD驱动控制系统包含有两个拓扑构造完全一样的三电平IGCT变流器，一个作为PWM整流器ARU，另一个作为PWM逆变器INU，其构造如图3所示。鉴于矿井提升机的运行工艺，提升机属往复运动的消费机械，频繁加、减速，另外矿井提升机电动机容量达4000kw，

10、因此系统要求开关器件路元件数、热耗散，进而明显降低了门极驱动电路的工作电压高、工作电流大及通态损耗低。ACS6000SD系统的IGCT单管沟通阻断电压达6000V，瞬时电流达4kA，开关关断时问1s。ACS6000SD是基于直接转矩控制技术新型交一直一交电压型中压变频器，功率范围从327Mw。整流单元ARU和逆变单元INU的硬件拓扑构造是完全一样的，不同之处是ARU单元比INU单元多了2块ASE抗磁饱和电路。ACS6000SD系统通过交一直一交变频器对矿井提升同步电动机进展控制，IGCT在电路中作为变频器的主开关器件。变频器主电路由进线侧三电平整流器、中问直流电路、电机侧三电平逆变器构成。该电

11、路具有以下特点：1可以实现输入功率因数为I；2在额定负载下的效率大于97；3可控制同步电动机功率因数为1；4逆变器采用直接转矩控制技术，静态速度误差001，动态速度误差0205；整流单元ARU将变压器的二次侧沟通电压整流为直流电压，整流输出电压为直流4800V。在直流母线处有储能电容单元CBU，CBU中的大电容用来存储能量，用于保证直流回路的电压恒定。根据电动机的运行形式电动或者制动，ARU分别从电网获取能量或者向电网注入能量来实现能量的双向流动。功率因数控制：ARU整流器采用矢量控制策略，通过选择适当ARU脉冲触发形式，使变压器电流与线电压具有一样的相位，进而使系统的功率因数COS为1。变压

12、器是感性负载，要使功率因数为1，就要对其进展补偿，使其总体呈阻性负载，因此ACS6000SD系统在直流侧增加了CBU电容柜，以容性负载的超前特性来抵消感性负载的滞后，这就要求能量能经过ARU进展流动，而ACS6000SD系统也具备了让ARU反向逆变的功能，使ARU实现反向逆变功能是由ARU的控制板AMC3来控制的。三电平逆变单元将ARU整流输出的直流电压转变为频率可调的沟通电压以驱动电机。逆变单元允许4象限运行。INU单元的电路拓扑构造与ARU整流单元一样，INU逆变器采用的控制策略为基于三电平的直接转矩控制。INU和ARU一样，其直流侧连接到直流回路的电容上，因此对整个系统是对称的。由于IG

13、CT关断时正向电流必须迅速归零，didt过大，因此利用钳位电路来吸收IGCT关断时的能量。CBU单元的作用是过滤和平滑直流母线上的直流电压，储存逆变器反应回来的直流电能。CBU单元的主要组成局部如下：1充电回路由一个辅助升压变压器输入660V，输出为3900vo9A和一个二极管整流电路组成。作用是在ARU开场工作之前对直流回路进展充电，使直流回路中的直流电压稳定在DC4200V左右，整个充电经过需要时间大约为40S。如不对直流回路进展预充电，ARU开场工作时会产生一个很大的浪涌电流，对CBU内的电容产生冲击破坏，同时对ARU单元内的IGCT器件构成威胁。2电容组是CBU的主要局部，它直接连接在

14、直流侧的正极DC+与中性点NP、中性点与负极DC一之间。ACS6000SD系统的直流侧电容的数目取决于系统容量的要求，例如配置6个电容可以到达9MVA的系统容量，每个电容的容量为16mF2700V260A。IGCT变频器是基于双PWM的三电平变频器调速装置。整流桥侧采用矢量控制技术，可以大大减小整流侧的电流谐波，任意调整电网侧的输入功率因数以及实现4象限运行；逆变器侧采用DTC控制，其输出的转矩响应更快；使用三电平技术，使输出线电压波形更加接近正弦波，变频器中的IGCT承受的电压仅为直流电压的一半，这样将变频器的电压和容量进步一倍。故IGCT变频器非常适用于高电压、大容量的矿井提升机调速系统，其提升效率明显高于同类型设备，能耗大幅度下降。1李崇坚沟通同步电机调速系统M北京：科学出版社，20062祝龙记，张磊，过希文大功率同步电机直接转矩控制系统J电力电子技术，2006，406：22243谢军，孙忠献，温晓玲IGCT在矿井提升机斩波串级调速系统中的应用J煤矿机电，20072：73744王成胜，李崇坚，李耀华，等75MVA大功率三电平IGCT交一直一交变流器J电工技术学报，2007，228：22240