摘 要：介紹IGCF-PWM變頻器在高速線材軋機的成功應用及調試經驗和維護。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，中壓大功率調速領域采用交流變頻調速系統已成發展趨勢。中壓變頻技術的迅速發展是建立在電力電子技術的創新、電力電子器件及材料的開發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，促進了中壓大功率變頻技術的迅速發展，技術性能日益完善。在吸取晶閘管（SCR）和GTO發展經驗基礎上，研制開發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壓降、高阻斷電壓和晶體管穩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。經過一段時間的使用，證明其性能優良，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據
NTM為高線項目中的無扭軋機，其主要電機的參數如下：
功率5000l W
基速850r／min 電流1006A
電壓等級3300V
頻率28．33Hz
有效系數96．1％ 功率因素0．905
服務系數1．32I
恒力矩區0～850r／min
恒功率區850～1570r／min
直流源：
斬波頻率750Hz
操作頻率50Hz
持續運轉額定電流1041A
頻繁啟動150％，60s
變頻器：
斬波頻率750Hz
最大運行頻率60Hz
持續運轉額定電流806A
頻繁啟動150％，60s
2 IGCT的工作原理與強驅動
GCT與其它開關一樣，有導通和截止兩種穩態和關斷開通兩種暫態。開通時門極施以正強電壓初瞬，GCT處于NPN晶體管狀態，這時晶體管作用大于晶閘管作用。轉入導通后，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不同：能瞬時無中間區由圖1（a）直接到圖1（C），而GTO則必經中間區如圖1（b）。該區的電壓重加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發射結外施很高負電壓，使陽極電流很快由陰極轉移（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，現將關斷波形示于圖2。綜上所述，在合適的門極強驅動下，GCT開通初瞬處于NPN晶體管狀態；導通時為晶閘管狀態；關斷瞬間和截止狀態均為PNP晶體管狀態。
強驅動是GCT成為新器件的關鍵。其實使普通強驅動也能使其性能明顯改善。由于強驅動使開通和存儲時間大大減少；在全部運行范圍內都能均勻一致地開關且無需緩沖器，易于串并聯；強驅動是指器件開和關時，門極驅動電壓和電矩形安全工作區幾乎達硅片的雪崩極限；強驅動連同緩沖層透明陽極還使門極關斷電荷銳減，門極驅動功率驟降，門極單元尺寸縮為GTO的一半，強驅動是重大突破。
強驅動是指器件開和關時，門極驅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。控制器與IGCW組件的通訊采用光纖，有效地防止了高頻干擾。整個系統采用去離子水進行冷卻，冷卻效率高，有效保證系統處于正常溫度內。當系統準備運行時，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，提供穩定的直流電壓源。數秒鐘后逆變器開始工作，處于待運行狀態。傳動系統通過ISBUS網絡接受來自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：
輸出電壓／電流0～3000V，0～1750A，無過
載持續工作@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 調試經驗及運行
兩個傳動柜自2001年3月開始調試，歷時兩個月。調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，會引起電網功率因素上升，甚至會產生過補現象，在調試時要注意電網功率因素的波動，適時調整無功成分量。
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，確認出現故障后，要用調試工具進行分析、推理，找出故障原因并顯示結果，然后根據故障嚴重程度，決定是否停機或調整系統控制參數。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。
