中高壓IGBT變頻器在鋁熱連軋上的應(yīng)用分析

方勝兵

（西南鋁機(jī)電設(shè)備工程公司，重慶401326）

0 前言

在電力電子器件中，GTO發(fā)展雖快，但其最大的缺點(diǎn)是需要大容量的浪涌電路和電抗器，故其外圍電路體積龐大。IGBT是一種低壓器件，若用于高壓變頻器，須多個串、并聯(lián)才能耐高壓。

西南鋁熱連軋采用東芝三菱TM250、TM30和TM650系列傳動。其中主傳動采用TM650變頻器，卷取和立輥傳動采用TM30變頻器，輥道和其他輔助傳動采用TM250系列。TM30是一種中高壓IGBT變頻器裝置，熱連軋卷取電機(jī)功率為1400kW，傳動系統(tǒng)主回路由整流變壓器、整流器、電容器、逆變器、VCB和主電機(jī)組成。逆變器為三相PWM逆變器，主開關(guān)元件IGBT采用三菱絕緣柵雙極晶體管MG400V1SU51。

1 IGBT整機(jī)結(jié)構(gòu)

卷取電機(jī)驅(qū)動采用多IGBT變頻器，若按照800V（±400V）三相電壓驅(qū)動，每相電流600A左右，單一IGBT模塊無法驅(qū)動大功率電機(jī)。因此，必須把多個IGBT模塊組合成IGBT裝置來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動。

IGBT整機(jī)裝置由整流、控制和IGBT裝置組成。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

整流部分產(chǎn)生±400V的直流電壓，提供給三臺IGBT裝置，控制部分輸出控制信號啟動IGBT裝置驅(qū)動電機(jī)。同時(shí)，檢測各部分故障信號，當(dāng)有故障時(shí)停止，同時(shí)報(bào)警。

IGBT裝置分上、下兩部分，上半部分接+400V電壓，下半部分接-400V電壓。1#IGBT的上半部分和2#IGBT下半部分同時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生Uv正半周電壓，1#IGBT下半部分和2#IGBT上半部分同時(shí)導(dǎo)通，產(chǎn)生Uv負(fù)半周電壓。以此類推Uw、Vw的線電壓，正負(fù)半周由此原理產(chǎn)生，完成電機(jī)驅(qū)動。

2 IGBT結(jié)構(gòu)圖

整個IGBT裝置由16個MG400V1SU51AIGBT模塊、16個MG400V1SU51IGBT模塊和8個二極管800VH241、驅(qū)動電路等組成。

驅(qū)動板接收控制信號，驅(qū)動32個IGBT模塊，上半部分8個MG400V1SU51A模塊帶電流檢測，8個MG400V1SU51不帶電流檢測。下半部分8個MG400V1SU51A模塊帶電流檢測，8個MG400V1SU51不帶電流檢測。上半部分16個IGBT模塊同時(shí)導(dǎo)通，下半部分16個IGBT模塊同時(shí)導(dǎo)通，上、下16個模塊交替導(dǎo)通，絕不允許同時(shí)導(dǎo)通。

上半部分16個IGBT模塊導(dǎo)通時(shí)輸出正半周電壓，下半部分16個模塊導(dǎo)通時(shí)輸出負(fù)半周電壓。IGBT結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，8個IGBT模塊是并聯(lián)的，所以8個模塊的特性必須均衡匹配，達(dá)到電流平衡。如果電流不平衡，當(dāng)出現(xiàn)有的模塊電流大，有的模塊電流小時(shí)，就會引起電流檢測報(bào)警，顯示IGBT系統(tǒng)故障，停止工作。因此每組8個IGBT模塊的選配至關(guān)重要。

圖2 IGBT裝置結(jié)構(gòu)圖

3 矢量控制

交流電機(jī)定子電流將會分解成產(chǎn)生磁通Φ的定子磁場電流分量Id和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的定子轉(zhuǎn)矩電流分量Iq，二者互成直角，相互獨(dú)立，分別調(diào)節(jié)，這是矢量控制基本出發(fā)點(diǎn)[1]。圖3為矢量控制結(jié)構(gòu)圖。

圖3 矢量控制框圖

逆變器傳動矢量控制系統(tǒng)由速度給定環(huán)節(jié)、速度調(diào)節(jié)器、D/Q軸電流調(diào)節(jié)器、磁通調(diào)節(jié)器、電壓調(diào)節(jié)器、PWM控制器等組成。速度給定值（SP REF1）通過Tosline從PLC傳送到矢量控制系統(tǒng)給定積分單元。該單元將階躍信號（SP REF）轉(zhuǎn)換為按一定變化率隨時(shí)間而增減的輸出信號（SP R），作為速度給定值，使調(diào)速系統(tǒng)的速度帶有一定的加速度，并對加速度和減速度分別限幅，送到速度調(diào)節(jié)器。

4 IGBT功率元件分析

TM30IGBT變頻器采用的是三菱MG400V1SU51A和MG400V1SU51 IGBT功率元件。IGBT參數(shù)如表1所示[2]。

表1 MG400V1SU51管參數(shù)

MG400V1SU51管子的等效電路原理圖如圖4所示。從圖中可看出：單個IGBT模塊內(nèi)部由4個MOS管并聯(lián)組成，US51A和US51的區(qū)別是前者多了一個電流檢測部分，ISEN就是電流檢測輸出管腳，4個MOS管中只有一個管子采用了電流檢測。

圖4 MG400V1SU51A等效電路原理圖

當(dāng)流過管子的電流達(dá)到閥值時(shí)，在3.6Ω的電阻上產(chǎn)生電壓降導(dǎo)通三極管，使ISEN輸出接通E腳，輸出低電壓提供給控制部分檢測。所有US51A的ISEN輸出是并聯(lián)在一起的，在16個IGBT模塊中，任何一個ISEN電壓拉低，都會引起報(bào)警。圖5是US51A IGBT模塊的電流測試電路。

圖5 US51A模塊電流測試電路

當(dāng)VGE加上正向?qū)妷汉?，IC電流達(dá)到Ic啟動電流，ISEN電壓Vsen從15V開始下降，達(dá)到2400A時(shí)Vsen的電壓達(dá)到閥值，啟動電流保護(hù)。因此IGBT模塊匹配是一個關(guān)鍵問題，同一批次出廠的IGBT模塊也需要選配平衡，才能使用。

Vce的電壓在導(dǎo)通時(shí)的電壓降，理論上這個電壓越低越好，越低，損耗發(fā)熱量就越少。Vce電壓和溫度、Vge導(dǎo)通電壓、Ic電流有關(guān)，溫度越高，Vce越小。Vge達(dá)到2V以上時(shí)Vce才能和Ic成線性關(guān)系，Vce耗能發(fā)熱最小。

如果驅(qū)動信號不正常也影響IGBT工作的穩(wěn)定，因此，Vce驅(qū)動電壓必須大于12V以上。

5 應(yīng)用維護(hù)

（1）柜內(nèi)檢查。由于IGBT管對溫度敏感性高這一特性，必須周期性將逆變器功率單元從柜內(nèi)拆出，檢查母排、防塵濾網(wǎng)除塵或者更換；檢查端子連接情況；檢查電氣元件是否存在松動、變形、變色和異味等情況；檢查電纜是否受損、電容是否有變形、漏液；檢查電路板是否變色、變形、連接松動；檢查光纖接頭是否連接牢固。

（2）主電容檢測。交直傳動控制系統(tǒng)是將交流輸入電壓通過整流裝置整成直流電壓，再通過逆變裝置驅(qū)動電機(jī)。直流電壓儲存在主回路電容中。因此，主回路電容壽命對主傳動系統(tǒng)的性能有重要的影響。

主回路電容檢測項(xiàng)目包含電容值檢測和損耗角正切值檢測。電容值檢測，屬于高精度儀表檢測，即將多年運(yùn)行后的電容值與原電容值進(jìn)行對比；損耗角正切值檢測：損耗角正切值反映了電容器在輸入電壓變化時(shí)的損耗，損耗越大，發(fā)熱越大，電容器殘余壽命越低。

（3）主快熔檢測。主回路快熔，是主傳動控制系統(tǒng)直流回路的快速保護(hù)元件，對主傳動保護(hù)系統(tǒng)有重大影響。使用高精度儀表檢測快熔電阻值，通過電阻測量值與元件標(biāo)稱值進(jìn)行比較，以判斷老化程度。

（4）IGBT管選配。IGBT功率元件選配步驟：用DC12V電壓導(dǎo)通Vge，通過施加不同大小的電流，測量Ic-Vce曲線，只有特性在一定范圍內(nèi)的模塊可組對使用。更換IGBT管時(shí)，必須嚴(yán)格采用帶電流檢測的元件，嚴(yán)禁取消電流檢測，否則，在運(yùn)行中，會導(dǎo)致嚴(yán)重事故的發(fā)生。

6 結(jié)束語

TMEIC IGBT變頻器投入運(yùn)行以來，性能指標(biāo)均滿足要求。同時(shí)無需考慮諧波對電網(wǎng)的影響，減少SVC裝置的投入，節(jié)能環(huán)保，運(yùn)行良好。