高壓IGBT變頻器及應用

1前言

電力電子技術、微電子技術與控制理論的結合，有力地促進了交流變頻調速技術的發展。近年來，具有驅動電路和保護功能的智能IGBT的應用使得變頻器結構更加緊湊且可靠。與其它電力電子器件相比，IGBT具有高可靠性、驅動簡單、保護容易、不用緩沖電路和開關頻率高等特點，鑒于此，開發高電壓、大電流、頻率高的高壓IGBT并將其應用到變頻調速器中以獲得輸出電壓等級更高的裝置成為人們關注的焦點。中壓變頻器的研發與電力電子器件如高壓IGBT、GTO、IGCT等器件研制水平和應用水平密切相關，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，德國西門子公司采用高壓IGBT(600A～1200A/3300V～6500V)、三電平技術開發的SIMOVERTMV系列中壓變頻器已在國內廣泛用于有色、冶金、電力、建材、自來水、石油化工等行業并得到用戶的認可，本文就第四代IGBT的優異性能，與GTO、IGCT等電力電子器件進行了比較，結合MV系列中壓變頻器的特點論述了采用三電平技術獲得優良的輸出電壓特性，采用模塊化技術以適應各種負載的需求，介紹了三電平有源前端（AFE）技術提供的四象限傳動方案，并提供眾多應用選型實例說明中壓變頻器的方案選擇與應用效果。

2中壓變頻器用電力電子器件的比較

電力電子器件的發展經歷了晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(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構的不同，交—直—交變頻器中逆變電路基本上由高壓IGBT、GTO、IGCT等組成，單元串聯多電平變頻器和中—低—中變頻器型多采用低壓IGBT構成。

20世紀80年代可關斷晶閘管GTO的商品化促進了交流調速技術的發展，與SCR相比其屬于自關斷器件，由于取消了強迫換流電路，簡化了在交流電力機車中大量采用的逆變器電路，目前GTO的容量為6000A/6000V，在電力機車調速中大多采用（3000～4000）A/4500V，中壓變頻器功率范圍多在（300～3500）kW以內，屬于較小的功率范圍。GTO開關頻率較低，需要結構復雜的緩沖電路和門極觸發電路，用門極負電流脈沖關斷GTO，其值接近其陽極電流的1/3，如關斷3000A/4000V的GTO，需750A的門極負脈沖電流，其門極觸發電路需要多個MOSFET并聯的低電感電路，而同樣的高壓IGBT僅需5A的導通和關斷電流。GTO的工作頻率低于500Hz，以1500A/4500V的GTO為例，其開通時間為10μs，關斷時間約需20μs。

硬驅動GTO(IGCT)是關斷增益為1的GTO，GTO制造工藝上是由多個小的GTO單元并聯而成的，為解決關斷GTO時非均勻關斷和陰極電流收縮效應，縮短關斷時間，利用增加負門極電流上升率，在1μs內使負門極電流上升到陽極電流的幅值而使GTO的門極－陰極迅速恢復阻斷。將GTO外配MOSFET組成的門極驅動器組合成IGCT，實現了場控晶閘管的功能，IGCT使用過程中要求開通和關斷過程盡可能短，目前IGCT的最高水平為4000A/6000V，IGCT關斷過程中仍需要di/dt緩沖器以防過電壓，IGCT以GTO為基礎，其工作頻率應在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gi=99％)

隨著關斷能力和載流能力的提高，高壓IGBT以其自保護功能強，無需吸收電路而具有廣闊的應用前景。西門子公司從1988年開始研制和應用低壓IGBT，在高壓IGBT的開發上也處于領先地位，以目前用于MV系列的1200A/3300VIGBT為例，其柵極發射極電壓僅為15V，觸發功率低，關斷損耗小，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

SIMOVERTMV系列中壓變頻器采用了實踐證明具有優秀性能的矢量轉換磁場定向控制原理，即優化的空間矢量和脈寬調制模式，應用高壓IGBT和三電平技術而獲得了優良的輸出電壓特性。在設計上充分考慮了各種負載情況，能適應風機、泵類，擠壓機，提升機，皮帶機，活塞式壓縮機，卷取機，開卷機等各種應用。應用模塊化技術優化傳動裝置，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態性能、高可靠性和最佳的性能價格比。

目前1500kVA以下電壓源型變頻器基本上采用二電平電路結構，將中間直流電路的正極電位或負極電位接到電機上去。為滿足變頻器容量和輸出電壓等級的需求，并降低諧波及dv/dt，出現了采用GTO或高壓IGBT的三電平變頻器，將中間直流電路正極電位、負極電位及中點電位送到電機上去。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、三電平技術開發成功MV系列中壓變頻器，其逆變器電路在3300V、4160V等級僅需12或24個器件，無須緩沖電路，結構緊湊，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，對各種傳動應用提供全面的解決方案，為滿足再生制動，提供了有源前端技術，即從電網向AFE輸入正弦波交流電，經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汲取及反饋回電網的只有正弦波電壓或電流。

4MV系列中壓變頻器應用實例

中壓變頻器的評價指標包括適用范圍、設計思想、如電壓源或電流源型、轉矩脈動、速度控制、諧波與噪聲，效率、功率因數及電磁兼容性等。MV系列變頻器通過采用優化的空間矢量和脈寬調制模式可獲得極高的動態性能，轉矩脈動<2％，并具有完美的控制特性；通過對各種情況下的諧波電流進行快速傅里葉分析，可提供典型諧波電流頻譜；MV由于采用高壓IGBT無緩沖器電路，功率因數大于0?96，由于采用有源前端技術，功率因數可根據需要調整(滯后或超前)，同時提高了電磁兼容性，滿足了抗干擾的要求。以下提供部分應用實例供參考：

圖3MVAFE結構框圖

（1）在建材水泥行業，廣州珠江水泥廠經過對多家

公司中壓變頻器產品的比較，決定采用西門子MV系列產品于電收塵風機、爐列風機及窯列風機上，其中，電收塵風機電機為西門子鼠籠電機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大于0?96；爐列風機電機為西門子鼠籠電機IRQ4564?6，2500kW/3300V，變頻器為6SE8031?1BA00；窯列風機電機為西門子鼠籠電機1RQ4502?6，1400kW/3300V，變頻器為6SE8018?1BA00，用戶在選型時充分考慮了高壓IGBT變頻器對電機的絕緣等級的要求，同時也考慮了供貨商電機、變頻器的系統配套能力，以選擇最經濟合理的方案，現設備已投入運行并取得顯著的節能效果。

（2）在電力行業，SIMOVERTMV具有廣泛的應

用前景，特別是對于調峰電廠，主要的應用包括給水泵、送(引)風機、灰漿泵、供熱水泵等。通常除了節能，增加機械壽命，減少對電網的沖擊外，還可大大優化電廠鍋爐的燃燒過程，使全廠的用電率下降，這一點在山東龍口電廠得到了認證。該廠已采用多套西門子變頻器用于技術改造，其采用的SIMOVERTMV1250kW/6kV也將很快投入運行。

（3）在石化行業，北京燕山石化66萬噸高壓聚乙

烯生產中的擠壓機其技術要求如下：功率3000kW、1?2倍過載、調速比為1∶10以上(95～950～1150）r/min。是典型的恒轉矩負載，通常采用恒速交流電機或調速直流電機驅動，考慮到化工裝置的長期運行，維護工作量應很小，加上節能等方面的考慮，要求具有節能、高可靠性和優良的動態性能，經過比較，采用西門子高壓IGBT、三電平技術的SIMOVERTMV以滿足所有要求，同時考慮到減少對電網的諧波干擾，最終采用4?16kV、24脈波結構、3000kW帶6極變頻電機(不帶濾波器)的整套西門子驅動系統。高壓IGBT變頻器為石化行業技術改造和新上項目提供了更多的可能，特別是新上項目，用戶可選擇性能價格比最優的方案。

（4）在冶金行業SIMOVERTMV的應用正在增

加，主要表現在如下幾個方面：

①在精軋機組中用MV＋鼠籠機替代LCI(負載換

流式)變頻器＋同步機方案，使系統的諧波更小，性能更佳，安陽鋼鐵公司5000kWMV精軋機已調試完畢。

②在冷軋機或卷曲機上替代直流傳動。

③在節能應用中，用在鋼鐵廠的焦化風機上，通

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

（5）在有色行業，嶺南鉛鋅集團將西門子MV系列產

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