TMEIC三電平變流技術(shù)在熱連軋中的應(yīng)用
胡彪
摘要:TMdrive-70是世界上最先端功率元件IEGT變頻器裝置。本文重點(diǎn)介紹是高電壓、大容量IEGT功率塊如何實(shí)現(xiàn)三電平，通過PWM控制以實(shí)現(xiàn)更近似于正弦波的電壓輸出。
關(guān)鍵詞:IEGT三電平 逆變器
馬鋼2250熱軋軋機(jī)傳動使用了十四套TMdrive-70變頻裝置。其速度控制范圍為1:100,速度控制精度±0.01%（數(shù)字設(shè)定）,速度響應(yīng)ωc=60rad/s（最大）,過載能力115%-連續(xù)200%-20sec,運(yùn)行狀態(tài)優(yōu)良，故障率極低。尤其在試軋高硬度管線鋼X¬-80中，表現(xiàn)其卓越的性能。
TMdrive-70系列變頻裝置是全數(shù)字矢量控制的電壓型交－直－交變頻裝置，由整流器和逆變器兩部分組成，為三電平PWM變換電路結(jié)構(gòu)，如圖（1）所示，電能可以在電網(wǎng)和電機(jī)之間雙向流動，實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行，其電力電子器件均為高電壓、大容量的IEGT功率模塊。整流器將交流電網(wǎng)輸入電壓變換成為逆變器供電的直流電壓，同時控制交流電網(wǎng)輸入電流使其成為正弦波，以減少對交流電網(wǎng)的危害。
 

 

圖（1）
1 IEGT功率元件介紹
IGBT廣泛應(yīng)用在各種電壓源型PWM變頻器中，具有開關(guān)快，損耗小，緩沖及門極驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，但電壓電流等級受到導(dǎo)通壓降限制。IGBT目前做到3300V，1200A。3300V的IGBT組成三電平變頻器，輸出交流電壓最高為2.3KV。
IEGT（Injection Enhanced Gate Transistor）電子加強(qiáng)注入型絕緣柵極晶體管。以4500V，5500A (最大可關(guān)斷陽極電流值)的IEGT為例，導(dǎo)通延遲時間小于2us，上升時間小于1us，關(guān)斷延遲時間小于6us，下降時間小于1us，最小通態(tài)維持時間10us，最小斷態(tài)維持時間10us，導(dǎo)通每脈沖能耗小于1J，關(guān)斷每脈沖能耗小于12J。
2二極管箝位型三電平PWM逆變器結(jié)構(gòu)
在20世紀(jì)80年代，日本人提出了在兩個電力電子開關(guān)器件串聯(lián)的基礎(chǔ)上，中性點(diǎn)加一對箝位二極管的三電平逆變方案（中性點(diǎn)箝位型），
每一相主要由4個主開關(guān)器件（IEGT）（Q1、Q2、Q3和Q4）、4個續(xù)流二極管（D1、D2、D3和D4）、兩個箝位二極管（D5和D6）組成。當(dāng)Q3和Q4同為導(dǎo)通時，輸出端U對O點(diǎn)的電平為－Vdc/2，所以每一相橋臂能輸出三個電平狀態(tài)，由三相這種橋臂組成的變換電路叫二極管箝位型三電平變換器。
一相橋臂電路的穩(wěn)態(tài)工作情況具體敘述如下：開關(guān)器件Q1和Q2同為導(dǎo)通，Q3和Q4同為關(guān)斷時，若電流從逆變器流向負(fù)載，若電流從負(fù)載流向逆變器，這時電流從輸出端U經(jīng)過續(xù)流二極管D2和D1到達(dá)P點(diǎn)，忽略續(xù)流二極管的正向?qū)�通壓降，輸出端U的電位仍等同于P的電位。
當(dāng)開關(guān)器件Q2和Q3同為導(dǎo)通，Q1和Q4同為關(guān)斷時，若電流從逆變器流向負(fù)載，即從中性點(diǎn)O經(jīng)過箝位二極管D5和開關(guān)器件Q2到達(dá)輸出端U，若電流從負(fù)載流向逆變器，這時電流從輸出端U經(jīng)過開關(guān)器件Q3和箝位二極管D6到達(dá)中性點(diǎn)O，輸出端U的電位仍等同于0的電位。
開關(guān)器件Q3和Q4同為導(dǎo)通，Q1和Q2同為關(guān)斷時，若電流從逆變器流向負(fù)載，即從負(fù)電位N點(diǎn)經(jīng)過續(xù)流二極管D4和D3到達(dá)輸出端U，若電流從負(fù)載流向逆變器，這時電流從輸出端U經(jīng)過開關(guān)器件Q3和Q4到達(dá)N點(diǎn)，輸出端U的電位仍等同于N的電位。
通過上面的分析，可以得到三種穩(wěn)態(tài)工作模式的開關(guān)狀態(tài)和輸出端電壓的對應(yīng)關(guān)系，如表（2.1）所示。
表（2.1） 二極管箝位型結(jié)構(gòu)IEGT的開關(guān)狀態(tài)和輸出電平的關(guān)系（一相）
 

 

3 TMdrive-70中的PWM控制
三電平逆變器的PWM控制方法主要有兩類：載波調(diào)制法和空間矢量調(diào)制法。每類控制方法又可派生出許多具體的PWM控制策略。TMdrive-70變頻裝置中逆變器采用的是載波調(diào)制法中的三角載波層疊法。以單相橋臂為例，三角載波層疊法的原理如圖（4.1）所示。
 

 

TMdrive-70是全數(shù)字矢量傳動系統(tǒng)，采用了功率電子控制專用的高性能32位微處理器（PP7）,實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)功能。三電平IEGT整流器被使用，可控制功率因數(shù)為1，降低了高次諧波電流，這個功能使得35KV供電母線上不用對濾波器和靜態(tài)補(bǔ)償做復(fù)雜計(jì)算，不需要加動態(tài)補(bǔ)償裝置。
TMdrive-70變頻裝置在熱軋2250生產(chǎn)階段，由于功率及電壓等級的提高，多電平逆變器（Multilevel Inverter）受到越來越多的關(guān)注，一般來說，電平數(shù)越多，輸出電壓波形越逼近正弦波。因此開展對多電平功率變換技術(shù)的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)
[1]莫正康.晶閘管變流技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社出版 1989.
[3]徐甫榮.中高壓變頻器主電路拓樸結(jié)構(gòu)的分析比較.變頻器世界.2002,（6）.
 

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