大功率IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)在電磁攪拌上的特殊應(yīng)用

李曙陽(yáng)， 陳勇彪， 孫大成

(1.湖南科美達(dá)電氣股份有限公司，湖南岳陽(yáng)414000;2.中鋼設(shè)備有限公司，北京100080)

隨著鋼鐵連鑄技術(shù)的迅猛發(fā)展，特大方、圓坯的連鑄冶煉技術(shù)在鋼廠的使用越來(lái)越多，而相對(duì)應(yīng)的電磁攪拌變頻電源功率也就越來(lái)越大，如何提供高質(zhì)量、低成本、高可靠性的低頻大功率電源已成為電力電子技術(shù)的一個(gè)熱點(diǎn)，引起了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[1-6].湖南科美電氣股份有限公司成功利用大功率模塊并聯(lián)技術(shù)獲得攪拌器特大電流輸出1 600 A，并將該套變頻電源裝置應(yīng)用在永通特鋼φ1200圓1機(jī)×1流連鑄機(jī)上，成為國(guó)內(nèi)低頻變頻電源輸出最大電流生產(chǎn)廠家.

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

目前，國(guó)內(nèi)鋼廠電磁攪拌器的使用已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，我公司研發(fā)的以工控機(jī)為控制核心的電磁攪拌器控制系統(tǒng)已占據(jù)國(guó)內(nèi)大部分市場(chǎng)，并已出口到東南亞和非洲及南美一些國(guó)家，該產(chǎn)品主要由隔離變壓器、配電柜、整流逆變單元和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成.系統(tǒng)由變壓器連接配電柜供電，并通過(guò)整流單元和預(yù)充電及功率補(bǔ)償裝置濾波整流后，將直流電源連接至逆變單元;由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后并將數(shù)據(jù)通過(guò)脈寬調(diào)制及驅(qū)動(dòng)回路控制逆變單元的開(kāi)通和關(guān)斷，并將逆變后的三相低頻交流電源連接至電磁攪拌器;同時(shí)通過(guò)電流PID閉環(huán)回路對(duì)電流進(jìn)行精確控制[7-10].系統(tǒng)組成框圖見(jiàn)圖1.

2 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)

電磁攪拌器計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由中央工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱中央IPC)和下位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(簡(jiǎn)稱下位IPC)組成，中央IPC操作系統(tǒng)為win2000/XP系統(tǒng)，HDMI采用C++語(yǔ)言編程，主要有監(jiān)控和操作功能.下位IPC操作平臺(tái)為NINUX裁剪系統(tǒng)，內(nèi)含軟PLC，數(shù)據(jù)采集和處理主要由下位機(jī)完成，同時(shí)具有操作和顯示功能.程序設(shè)計(jì)主要包含以下內(nèi)容:Linux操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序、軟PLC程序、SPWM變頻調(diào)制程序、電流的閉環(huán)PID控制程序、用戶界面設(shè)計(jì)程序、通信接口設(shè)計(jì)程序等.

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

1)Linux系統(tǒng)裁剪.

2)軟PLC開(kāi)發(fā)，符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，PLC的掃描頻率:25ms，PL允許最大開(kāi)關(guān)量輸入、輸出:各192點(diǎn)，PLC允許最大模擬量輸入、輸出:各128點(diǎn).

3)頻率:0.1 ～25 Hz，誤差小于0.01 Hz.

4)電流:0～2 000 A，誤差小于2%.

5)PID智能調(diào)節(jié)，具有自學(xué)習(xí)功能，正反交替時(shí)間小于15 s，電流啟動(dòng)到穩(wěn)定不超過(guò)10 ms.

6)SPWM脈寬調(diào)制，能控制SA866和DSP.

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

7)流數(shù):16流(每套工控機(jī)).

8)能與西門(mén)子PLC進(jìn)行以太網(wǎng)、MPI和Profibus通訊.

2.2 軟PLC技術(shù)

由于不同硬PLC與工控機(jī)的兼容性較差，我們開(kāi)發(fā)了軟PLC，利用軟件的形式實(shí)現(xiàn)了硬PLC的功能.軟 PLC硬件工作平臺(tái)為研祥工控機(jī)，型號(hào)為FSC-1814V2NA.操作平臺(tái)選用的是linux系統(tǒng)，基于linux內(nèi)核模塊的Rtlinux是一個(gè)免費(fèi)的、開(kāi)放源代碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而我們采用的是對(duì) DLAPMRTLinux加以改良的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序接口 RTAI.軟PLC體系架構(gòu)見(jiàn)圖2.

2.2.1 軟PLC的硬件構(gòu)成

研祥下位工控機(jī)一套、PIO-168(弘格)開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集卡一塊、PCL-813B(研華)模擬量數(shù)據(jù)采集卡一塊、DLink以太網(wǎng)網(wǎng)卡一塊.其中PIO-168板卡分別與輸入、輸出板相連，輸入板通過(guò)光電隔離，將外界環(huán)境的高壓、強(qiáng)干擾信號(hào)與工控機(jī)隔離，完成過(guò)程控制的開(kāi)關(guān)量采集;輸出板通過(guò)繼電器隔離，完成過(guò)程控制的開(kāi)關(guān)量輸出，輸入、輸出板都連接在I/O板上.

2.2.2 軟PLC模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟PLC采用模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊都專職一項(xiàng)功能，MATPLC是Linux下的軟PLC開(kāi)發(fā)軟件，它是開(kāi)放源代碼的，很容易對(duì)它進(jìn)行內(nèi)核定制，并嵌入到自己的程序中.其內(nèi)核主要包含以下幾個(gè)部分:I/O模塊、邏輯模塊和用戶界面模塊等.MATPLC的工作原理和硬PLC相似，只是內(nèi)核控制是由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的.其內(nèi)核結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2.2.3 與內(nèi)置PLC有關(guān)的軟件界面

由于PLC部分直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的安全，本系統(tǒng)對(duì)PLC進(jìn)行修改和編譯相對(duì)容易，因此，在軟件上將對(duì)其授權(quán)于用戶維護(hù)人員.圖4是軟PLC的某一幅界面.

與“內(nèi)置PLC”相對(duì)應(yīng)的故障診斷系統(tǒng)能適時(shí)地將開(kāi)關(guān)量故障顯示在下位機(jī)主界面上的信息提示欄中，方便用戶排除故障，保證生產(chǎn).

3 并聯(lián)技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)大功率模塊的并聯(lián)運(yùn)行，其關(guān)鍵的問(wèn)題在于各大功率模塊要共同分擔(dān)負(fù)載電流，并且要實(shí)現(xiàn)大功率模塊的均流運(yùn)行.同時(shí)要考慮模塊的散熱和抗干擾問(wèn)題.

圖2 軟PLC體系架構(gòu)Fig.2 Software PLC architecture

圖3 軟PLC內(nèi)核結(jié)構(gòu)Fig.3 Software PLC kernel structure

3.1 大功率模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)

為了滿足電流達(dá)到1 600 A，采用英國(guó)DYnex公司的DIM1600HSA120 IGBT模塊雙并聯(lián)，每個(gè)橋臂為4個(gè)模塊，上下橋臂各兩塊，共三組橋臂，12個(gè)模塊.模塊散熱采用最新的熱管散熱技術(shù)，每個(gè)橋臂共一個(gè)散熱器，共三組散熱器，每個(gè)散熱器功率能達(dá)到15 kW，在環(huán)境溫度低于30℃時(shí)，能保證模塊的溫升不會(huì)超過(guò)40℃.

采用Concept公司的315驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)SCALE光接口即插即用型接收和發(fā)送，信號(hào)傳遞模式采用光纖，一旦驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到短路時(shí)，內(nèi)部的定時(shí)電容就開(kāi)始計(jì)時(shí)，一段時(shí)間后就將驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷，通常我們稱之為響應(yīng)時(shí)間;在響應(yīng)時(shí)間結(jié)束時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)發(fā)出一個(gè)報(bào)錯(cuò)信號(hào)脈沖反饋給主控系統(tǒng)，這個(gè)報(bào)錯(cuò)信號(hào)會(huì)維持一個(gè)阻斷時(shí)間;在阻斷時(shí)間內(nèi)，驅(qū)動(dòng)器不再響應(yīng)任何輸入信號(hào);阻斷時(shí)間結(jié)束后，驅(qū)動(dòng)器就自動(dòng)復(fù)位了，之后再給它信號(hào)時(shí)，它將繼續(xù)執(zhí)行;2SP032V/s的阻斷時(shí)間為11 us，系統(tǒng)短路故障時(shí)能快速封鎖脈沖，保護(hù)模塊.同時(shí)通過(guò)光纖傳遞信號(hào)，系統(tǒng)抗干擾性也大大增強(qiáng).

3.2 無(wú)電感接線技術(shù)

為了保證并聯(lián)模塊關(guān)斷時(shí)盡可能不產(chǎn)生尖峰電壓，我們主要從以下四個(gè)方面進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn):

1)采用了無(wú)電感接線技術(shù)，模塊及電容的連接都采用母排(正，負(fù)極板)疊成技術(shù)，正，負(fù)極板之間用0.2 mm諾米克紙絕緣，極大的縮小了正，負(fù)極板之間的距離，使系統(tǒng)的電感大大降低.

2)利用單模塊驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)并聯(lián)模塊驅(qū)動(dòng)板參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，特別是通過(guò)對(duì)模塊開(kāi)通和關(guān)斷電壓的優(yōu)化組合，系統(tǒng)尖峰電壓已完全控制在安全范圍且成本低.

3)在模塊上增加了RCD緩沖吸收電路.

4)通過(guò)采用有源鉗位技術(shù)扼制過(guò)高的尖峰電壓.控制原理圖如圖5.

圖4 PLC運(yùn)行狀態(tài)的界面Fig.4 Operating status interface to PLC

圖5 動(dòng)態(tài)有源鉗位原理圖Fig.5 Dynamic active clamp schematic

通過(guò)以上四方面的技術(shù)改進(jìn)，成功解決了模塊并聯(lián)時(shí)因系統(tǒng)尖峰電壓過(guò)高炸模塊的問(wèn)題.圖6和7為技術(shù)改進(jìn)前后用示波器實(shí)測(cè)模塊關(guān)斷尖峰電壓波形的對(duì)比.

實(shí)驗(yàn)證明，技術(shù)改進(jìn)前，由圖6可知，模塊關(guān)斷時(shí)尖峰電壓為1 020 V，技術(shù)改進(jìn)后后，由圖7可知，模塊關(guān)斷時(shí)尖峰電壓為820 V，IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的尖峰電壓被有效地抑制，保證了IGBT在極端情況都能運(yùn)行在安全運(yùn)行區(qū)域(SOA)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性.

3.3 電流疊加技術(shù)

由于采用兩個(gè)大功率模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這就要求并聯(lián)工作的每個(gè)模塊能夠共同平均分擔(dān)負(fù)載電流，既均分負(fù)載電流.電壓型霍爾傳感器無(wú)論在穩(wěn)定性和抗干擾性方面都沒(méi)有電流型霍爾傳感器好，我們?cè)诿總€(gè)模塊的輸出側(cè)安裝了一個(gè)電流型霍爾傳感器，對(duì)每個(gè)模塊的輸出電流進(jìn)行檢測(cè)并將疊加數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)，調(diào)整各模塊的輸出電壓從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)模塊的均流運(yùn)行，模塊的開(kāi)通和關(guān)斷信號(hào)采用同一個(gè)信號(hào)，并且使信號(hào)傳輸距離盡可能短，傳輸信號(hào)采用光纖傳遞.硬件結(jié)構(gòu)也做了重大改進(jìn)，使其盡可能對(duì)稱，保證每個(gè)模塊上流過(guò)的電流相等.

圖6 普通模式下IGBT關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓波形Fig.6 IGBT turn-off peak voltage waveforms in Normal mode

圖7 技術(shù)改進(jìn)后的IGBT關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓波形Fig.7 IGBT turn-off peak voltage waveformsafter technology Improved

4 結(jié)束語(yǔ)

大功率IGBT模塊并聯(lián)技術(shù)是單模塊技術(shù)的延伸，加大了電流的輸出范圍，成本低，技術(shù)可靠.目前國(guó)產(chǎn)電磁攪拌變頻電源單模塊結(jié)構(gòu)方式電流最大能在800 A穩(wěn)定運(yùn)行，電流超過(guò)800 A時(shí)，一般都采用進(jìn)口變頻器，成本大大增加，通過(guò)大功率模塊并聯(lián)技術(shù)改進(jìn)，簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)，降低了成本，我公司的變頻電源運(yùn)行電流能達(dá)到1 600 A，該套裝置已成功運(yùn)用在永通特鋼電攪設(shè)備上，很好地解決了國(guó)內(nèi)大電流低頻電源的需求.

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