一種柔性直流輸電工程中IGBT子模塊電動裝卸工具的設(shè)計與分析

國網(wǎng)湖北檢修公司特高壓交直流運檢中心 楊 文 劉 潯 韓情濤 戴 迪

柔性直流輸電工程換流閥IGBT子模塊維護過程中，常有需更換IGBT子模塊的操作。目前對IGBT子模塊的更換操作需靠人工搬運尚無專用的自動工具。文中研制了一種電動工具，可實現(xiàn)IGBT子模塊裝卸的自動控制，提高維護效率。

引言：在柔性直流輸電系統(tǒng)中，主回路由換流閥、閥電抗器、直流電容、連接變壓器等組成。換流閥由絕緣柵雙極晶體管（insulated gate bipolar transistor,IGBT）和電容器構(gòu)成，通過IGBT的通斷實現(xiàn)交直流變換。由兩個IGBT和一個電容組成的半橋結(jié)構(gòu)的子模塊作為一個整體單元塊，其單只重量高達70-80公斤，在換流閥維護過程中可能遇到IGBT元件損害需更換的情況，需對子模塊進行裝卸，目前對子模塊裝卸尚無專用的工具，僅通過作業(yè)人員在作業(yè)車上將子模塊拖入或拖出閥塔，現(xiàn)有方法不足之處在于：

1）工作時作業(yè)人員站在沒有護欄的車邊施工，存在墜落風(fēng)險；

2）子模塊重量過大，人員施工空間小，存在重物機械傷害的風(fēng)險并有墜塔的風(fēng)險；

3）子模塊進出全靠人力拖動，耗時較長，不利于時間緊的搶修工作。

本文所設(shè)計的柔性直流換流閥IGBT子模塊裝卸工具，很好的解決了現(xiàn)有方法在應(yīng)用過程中的不足，提高了維護效率。

1 結(jié)構(gòu)分析

針對現(xiàn)在IGBT子模塊工作空間、安裝位置及設(shè)備重量要求，在產(chǎn)品設(shè)計階段，除了滿足傳統(tǒng)裝卸要求外，還要將產(chǎn)品的輕便、可靠作為結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)，要求電動工具易搬運，運行可靠，使用范圍廣。

圖1 IGBT子模塊裝卸工具總體結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，IGBT子模塊電動裝卸工具包括伺服電機，電動推拉桿，控制電機啟停的橋式電路和差分運算放大器以及固定子模塊位移的軌道。

2 工作原理

固連接。打開裝卸工具電源，在裝置上選擇按照安裝或拆卸方向，選擇升降平臺位置或閥塔位置按鈕，使子模塊向預(yù)期方向運動，直到子模塊到位。

在裝卸工具中設(shè)計選擇“閥塔位置”為伺服電機正轉(zhuǎn)，帶動推拉桿伸長外推；選擇“升降平臺位置”為伺服電機反轉(zhuǎn)，帶動推拉桿回縮內(nèi)拉。在推拉桿上并聯(lián)一個可變電阻，推拉桿的位置移動帶動可變電阻值變化。

利用電橋電阻模型來測量實際位置與目標(biāo)位置間的變化，裝卸工具中的單片機采集可變電阻兩端的電壓后經(jīng)過處理，模擬出裝卸工具需要位移到達的位置。電橋電路模擬圖示如下圖2，通過該電路模型分析原理如下。

圖2 電橋電路

在電橋電路中有三個阻值固定的電阻R1、R2、R3，第四個電阻是可變電阻RX，RX發(fā)生變化時，圖中B、D兩點之間的電壓發(fā)生變化，通過采集電壓的變化來反映實際工作中的物理量變化，帶到測量的目的。

舉例說明電橋電路在本裝置中的計算方式。

如下圖3，假設(shè)流過R1、R2橋臂的電流為I1，R2電阻上的電壓為V1，流過R3、Rx橋臂的電流為I2，R3電阻上的電壓為V2，電橋的供電電壓為VC。

圖3 電橋電路計算

利用歐姆定律計算電流I1、I2：

則電阻R2兩端電壓：

電阻R3兩端電壓：

將裝卸工具固定在升降平臺上，在升降平臺上放置子模塊運動導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的邊緣和閥塔支架邊緣靠近。將電動推拉桿與子模塊牢

V1與V2的電壓差：

在本文所設(shè)計的裝卸工具中，安裝三個固定值的電阻，與推拉桿上的可變電阻組成橋式電路，隨著推拉桿帶動IGBT子模塊的位置變化，并聯(lián)在推拉桿上的可變電阻的阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致發(fā)生變化，將的差分電壓通過差分運算放大器放大后進入裝卸工具的單片機AD采樣，再對照可變電阻的電阻——距離對應(yīng)表就反應(yīng)出當(dāng)前位置，根據(jù)IGBT子模塊需要移動的距離設(shè)定固定值，對應(yīng)的的差分電壓到達該固定值時，單片機發(fā)出停機指令，伺服電機停機，完成IGBT子模塊的移動。

3 創(chuàng)新點

1）該電動工具實現(xiàn)了對IGBT子模塊裝卸的自動操作，使用簡單快捷，節(jié)省操作時間。

2）該電動工具實現(xiàn)了安裝時的安全性，包括作業(yè)人員與設(shè)備的安全。

3）該電動工具實現(xiàn)了自動控制，推進與脫出可實現(xiàn)一鍵到位。

4 結(jié)語

隨著電力電子器件的進一步發(fā)展，柔性直流輸電技術(shù)具有了更廣闊的應(yīng)用范圍和更好的發(fā)展前景，而作為其核心元件的IGBT元件的檢修工作必不可少。本文主要對所設(shè)計的IGBT子模塊電動裝卸工具的整體結(jié)構(gòu)、工作原理等方面進行分析，以此設(shè)計出安全可靠、技術(shù)先進的電動工具，提高柔性直流工程檢修水平。