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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
近几年来，随着一种新型电力电子器件——集成门极换向晶闸管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2O kHz，开关关断时问 1μs，di／dt为4 kA／μs，dr／dt为1O～20 kV／μs，交流阻断电压6 kV，直流阻断电压3．9 kV。
1 IGCT逆变器工作原理
1．1 IGCT结构
IGCT结构如图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的基础上研制出来的改良器件，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层结构，与GTO有重要差别的是GCT芯片利用缓冲层技术，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、门极则分别并联在一起，其目的就是利用门极实现器件关断。
（图片） 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15 cm），使IGCT结构更加紧凑和坚固，并可使门极电路的电感进一步减小，降低了门极驱动电的成本和效率。门极驱动电路需要20～24 V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IGCT 的状态进行监控，假如功率开关器件损坏，通过驱动板上的发光二极管显示，若驱动电源有故障，也通过不同的发光二极管显示。若电路正常，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，导通机理及结构与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馈开关，其特点是携带电流能力强和通态压降低。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结提前进入反向偏置，电子便能通过发射极排出，部分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益，拖尾电流虽然大但时间短（表1为GTO和IGCT的性能比较），从而大大提高了门极触发灵敏度，缩短了关断时间，提高了关断速度，兼顾了晶体管稳定关断能力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。（图片） 1．2 IGCT逆变器
IGCT逆变器的拓朴结构为三相三电平，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，反馈二极管4只。由这些器件组成一个三电平逆变器如图2所示。
（图片） 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，假如电流为正方向，则P点电流流过主管VT1m，VT1A，输出端电位等同于P点电位；若电流为反方向，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，假如电流为正方向，则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；若电流为反方向，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，假如电流为正方向，则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；若电流为反方向，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种不同的通断组合，对应3种不同的输出电位。设VT1m与VT1A。导通为模式1接通P，输出电压+Ud／2；VT1A与VT4A接导通模式2接通0’，输出电压为0；VT4A与VT4m导通为模式3接通N，输出电压为一Ud／2。
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4 000 kW 同步电动机的驱动方案。ACS6000SD驱动控制系统包含有两个拓扑结构完全相同的三电平IGCT变流器，一个作为PWM 整流器（ARU），另一个作为PWM 逆变器（INU），其结构如图3所示。（图片） 鉴于矿井提升机的运行工艺，提升机属往复运动的生产机械，频繁加、减速，另外矿井提升机电动机容量达4 000 kw，因此系统要求开关器件路元件数、热耗散，从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单管交流阻断电压达6 000 V，瞬时电流达4 kA，开关关断时问1 s。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3～27 Mw。整流单元 ARU 和逆变单元INU 的硬件拓扑结构是完全相同的，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行控制，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0．01％ ，动态速度误差0．2％ ～0．5 ％；
整流单元ARU将变压器的二次侧交流电压整流为直流电压，整流输出电压为直流4 800 V。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。根据电动机的运行模式（电动或制动），ARU分别从电网获取能量或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脉冲触发模式，使变压器电流与线电压具有相同的相位，从而使系统的功率因数 COS 为1。变压器是感性负载，要使功率因数为1，就要对其进行补偿，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进行流动，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交流电压以驱动电机。逆变单元允许4象限运行。INU单元的电路拓扑结构与ARU整流单元相同，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 IGCT关断时正向电流必须迅速归零，di／dt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，储存逆变器反馈回来的直流电能。CBU单元的主要组成部分如下：
1）充电回路由一个辅助升压变压器（输入660V，输出为3 900v／o．9 A）和一个二极管整流电路组成。作用是在ARU开始工作之前对直流回路进行充电，使直流回路中的直流电压稳定在DC4 200V左右，整个充电过程需要时间大约为40 S。如不对直流回路进行预充电，ARU 开始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 的主要部分，它直接连接在直流侧的正极（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量取决于系统容量的要求，例如配置6个电容可以达到9 MV·A 的系统容量，每个电容的容量为1．6mF（2 700V／260A）。
3 结语
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提高一倍。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。
参考文献
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12/11/2010
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